No Image

Схема защиты от перегрева

4 просмотров
10 марта 2020

Температурная, тепловая защита силовых элементов (диодов, транзисторов). Термозащита, отключение при повышении температуры, критическом нагреве (10+)

Защита от перегрева силовых элементов

Нередко встает вопрос, как реализовать отключение преобразователя напряжения в случае критического нагрева. При этом хотелось бы реализовать максимально простую схему с минимальным количеством деталей. Такая схема приведена на рисунке.

Это фрагмент схемы показывающий, какие изменения нужно внести в цепи защиты по току, чтобы дополнительно получить защиту от перегрева.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

В схеме используется контроллер D1 — микросхема 1156ЕУ2. У этой микросхемы ножка 9 отвечает за защиту по току. Если напряжение на этой ножке превышает 1 В, то контроллер отключает силовые ключи. На диодах VD40, VD41 реализована схема считывания большего напряжения из двух — напряжения на термодатчике VD42 и напряжения на выходе токового трансформатора, которое пропорционально току нагрузки. VD42 — термодатчик LM335. Этот датчик наклеивается на теплоотвод силовых элементов. Напряжение на LM335 возрастает по мере роста температуры. Как только напряжение на нем становится таким, что на движке подстроечного резистора R42 напряжение превышает 1 В, схема выключается.

Диоды VD40, VD41 — маломощные диоды Шоттки, рассчитанные от 3 В. Применение диодов Шоттки необходимо для того, чтобы минимизировать влияние падения напряжения на этих диодах на параметры срабатывания защиты.

Резистор R40 — 30 кОм.

Резистор R41 — 7.5 кОм.

Резистор R42 — подстроечный, 5 кОм. Этим резистором устанавливается температура срабатывания защиты.

Приведенное решение подходит для всех схем, собранных в сборнике ‘Конструирование источников питания и преобразователей напряжения’. Номиналы всех остальных элементов нужно брать из этих схем.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.

Как не спутать плюс и минус? Защита от переполярности. Описание.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения. Выбор ключа — биполя.
Как сконструировать пуш-пульный импульсный источник питания. Как выбрать мощные .

Защита мощных блоков питания от перегрева

Довольно часто мощные линейные блоки питания (БП) при длительной работе или при работе с токами нагрузки, близкими к максимальным, перегреваются. Это может привести к отказу элементов схемы стабилизатора, перенапряжению и выходу из строя питаемых от этих БП достаточно дорогостоящих устройств. Этот недостаток имеют многие БП, изготовленные как радиолюбителями, так и заводского производства, как отечественные, так и импортные. Причин перегрева может быть множество: недостаточная площадь радиаторов охлаждения, повышенное напряжение в сети, высокая температура в месте установки, экономия на емкости сглаживающих конденсаторов, запыленность радиаторов, плохие условия для конвекции и т.п. В основе этих причин лежат неправильный расчет БП, недостаточный учет реальных условий эксплуатации при расчете теплового режима [1] или сознательное ухудшение параметров БП относительно заявленных с целью уменьшения себестоимости и габаритов. Такие БП автор рекомендует доработать простой системой защиты от перегрева, состоящей из вентилятора обдува, включаемого при температуре 50-60 град. и устройства защиты, отключающего нагрузку при нагреве радиатора до температуры 70-80 град. Проще всего реализовать такую систему на биметаллических термореле, срабатывающих на замыкание [2]. Но такие реле в настоящее время дефицитны. Зато в последние годы в продаже появилось множество типов импортных термореле (термостатов), срабатывающих на размыкание и предназначенных для применения в бытовой технике (нагревателях, фенах и т.п.).

Схема защиты БП от перегрева на таких элементах показана на рис.1. При нагреве радиатора БП до 50 град. разомкнутся контакты термостата SF1, откроется транзисторVT1 и включится вентилятор М1. Через некоторое время, когда температура радиатора снизится, контакты термостата SF1 замкнутся и вентилятор выключится. Если температура радиатора продолжает повышаться (при неисправности вентилятора или по другим причинам), то при нагреве радиатора до 70 град. разомкнутся контакты термостата SF2, откроется транзистор VT2, сработает реле К1 и своими контактами К1.1 отключит от выпрямителя стабилизатор и нагрузку. При этом загорится красный светодиод HL1и включится зуммер HA1. Зуммер можно отключить тумблером SA1. Резисторы R1 и R4 обеспечивают работу транзисторов в режиме насыщения.

Читайте также:  Как подключить элари нано подс

Резисторами R2, R3, R5, R6 устанавливаются рабочие токи соответствующих элементов. Если требуется защитить от перегрева трансформатор БП (например, при межвитковом замыкании), следует включить последовательно с термостатом SF2 термостат с такой же температурой срабатывания, имеющий тепловой контакт с обмоткой трансформатора.

Для обдува радиатора можно применить вентиляторы охлаждения блока питания или процессора компьютеров IBM. Термостаты могут быть типов В-1002А, В-1009N, ТК20, Т24, KSD301 и т.п. Они должны быть установлены на радиаторе в непосредственной близости от наиболее тепловыделяющих элементов БП. Реле К1 может быть любого типа, устойчиво срабатывающее от минимального напряжения выпрямителя и способное коммутировать максимальный ток БП (например, автомобильное 90.3747-01). Транзисторы могут быть любыми, способными коммутировать рабочий ток вентилятора М1 и реле К1. Светодиод HL1, зуммер HA1 и тумблер SA1 также могут быть любого типа. Если имеется термостат с большим рабочим током (например, KSD301, 250 В, 10 А), то можно обойтись без реле К1, включив термостат вместо контактов К1.1. В этом случае элементы сигнализации R5, HL1, R6, SA1, HA1 включаются параллельно контактам термостата. Так как рабочим для термостата является переменный ток, то можно предположить (по аналогии с реле, у которых коммутируемый ток при коммутации постоянного тока низкого напряжения гораздо выше, чем при коммутации переменного тока высокого напряжения при одинаковом количестве срабатываний), что термостат при напряжении 20-40 В может достаточно надежно коммутировать 20-30 А постоянного тока. Можно также включить два термостата (с одинаковой температурой срабатывания) параллельно.

Настройка схемы сводится к установке резисторами R2, R3, R5, R6 номинальных рабочих токов (напряжений) соответствующих элементов при питании цепочек от выпрямителя БП и установке резисторами R1, R4 режима насыщения транзисторов. Предварительную проверку срабатывания термостатов можно выполнить с применением фена и цифрового термометра. Для проверки работоспособности системы защиты следует подключить к БП нагрузку, обеспечивающую максимальный ток. После нагрева радиатора до температуры срабатывания термостата SF1 должен включиться вентилятор. После этого вентилятор следует отключить (отпаять) и дождаться срабатывания сигнализации (отключения нагрузки). Для ускорения процесса БП можно чем-либо накрыть и использовать для нагрева радиатора фен. Температуру радиатора желательно контролировать цифровым термометром.

Подобную систему можно применить для защиты и других тепловыделяющих устройств: мощных усилителей, преобразователей, сварочных трансформаторов и т.п.

ЛИТЕРАТУРА
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта, Москва, "Радио и связь", 1985 г.
2. Коломоец Е. Лабораторный блок питания с комплексной защитой.- Радио, 2004, №7, с. 36-38.

Если сравнивать со стремительно уходящими в прошлое источниками света, то светодиодные источники имеют всего один, но крайне серьезный изъян. Их долговечность и надежность в значительной степени зависят от эффективности отвода тепла от излучающих свет компонентов. Поэтому схема защиты светодиода от перегрева — важная составная часть любой качественной светодиодной системы освещения.

Среднестатистический осветительный светодиод десятикратно превосходит по энергоэффективности (экономичности) традиционную лампочку с нитью накаливания. Однако, если светодиод не установить на радиатор достаточной площади, то он скорее всего быстро выйдет из строя. Принято считать, не вдаваясь в подробности, что более эффективные осветительные светодиоды нуждаются в более эффективном отводе тепла чем обычные.

Давайте, тем не менее, рассмотрим проблему более глубоко. Оценим два фонаря: первый — галогенный, второй — светодиодный. И уже после — обратим внимание на способы сохранения долговечности светодиодов и продления жизни их драйверам. Дело в том, что защитная часть светодиодной системы освещения должна обеспечить безопасное функционирование как светодиодам, так и схемам — драйверам.

Читайте также:  Как копировать из пдф файла в ворд

К примеру у нас имеется два фонаря. Оба устройства дают по 10 Вт световой мощности. Разница лишь в том, что прожектор на галогенной лампе требует 100 Вт электрической мощности, а светодиод — всего 30 Вт.

Мы знаем, что светодиоды эффективнее по производимому свету примерно в 10 раз, но в реальности они крайне чувствительны к высоким температурам, и для них поэтому очень важен температурный режим, при котором происходит преобразование энергии электрического тока — в свет.

Для светильника с галогенной лампой рабочая температура даже в +400 °C является безопасной нормой, в то время как для светодиодов температура кристалла в +115 °C уже критически опасна, а максимальная температура корпуса диода составляет всего +90 °C. Поэтому светодиоду нельзя давать перегреваться, и на то есть несколько причин.

С повышением температуры светоизлучающего перехода, световая эффективность светодиода понижается, и это зависит как от конструкции светодиода, так и от состояния окружающей среды. К тому же светодиоды в принципе отличаются отрицательным температурным коэффициентом прямого падения напряжения на переходе. Это значит, что с увеличением температуры перехода, прямое падение напряжения на нем уменьшается. Обычно данный коэффициент варьируется от -3 до -6 мВ/К.

Таким образом, если при 25 °C прямое падение напряжения на светодиоде составляет 3,3 В, то при 75 °C оно будет уже 3 или менее вольт. И если драйвер светодиода не уменьшает по мере роста температуры напряжение на всех светодиодах сборки, то в один прекрасный момент ток станет поддерживаться неадекватно высоким, что приведет к перегреву, перегрузке, дальнейшему снижению прямого падения напряжения, и еще более быстрому нарастанию температуры кристалла. Дешевые светодиодные светильники с резистивным ограничением тока часто проявляют данный недостаток в самый неожиданный момент.

Допуски по колебаниям напряжения блока питания в сочетании с различиями в прямом падении напряжения на светодиоде (на этапе производства светодиоды не идеально одинаковы по данному параметру), и в связи с отрицательным температурным коэффициентом падения напряжения — в любой момент эти факторы в совокупности могут вызвать нарушение безопасного режима функционирования светодиода и спровоцировать скатывание к его саморазрушению.

Конечно, если конструкция светодиодного светильника (особенно — радиатора) достаточно надежна, то кратковременными снижениями яркости можно пренебречь, так как они очень редки и перегревы эти кратковременны. Но если перегрев продолжителен, то превышение температуры сразу превращается в настоящую угрозу для светильника.

Причины выхода светодиодов из строя при их перегреве

Светодиоды разрушаются от перегрева по нескольким причинам. Первая причина — изменение механического напряжения внутри светоизлучающего кристалла и монолитной светодиодной сборки. Вторая — нарушение герметичности, проникновение влаги и окисление. Защитный эпоксидный слой деградирует, происходит расслоение на границах, контакты кристалла испытывают коррозию.

Третья — рост количества дислокаций в кристалле ведет к изменению путей тока и возникновению точек превышения плотности тока и, соответственно, к перегреву этих точек. Наконец — явление диффузии металлов на контактах при повышенной температуре, что также в конце концов приводит к неработоспособности светодиода.

Разработчики светодиодов всеми силами пытаются свести к минимуму данные факторы отказа, и поэтому все время технологически совершенствуют производственный процесс. Тем не менее из-за перегрева отказы все равно неизбежны, хотя и становятся реже с совершенствованием производственного процесса.

Механическое давление — самая частая причина преждевременного выхода светодиодов из строя. Суть в том, что при перегреве герметик размягчается, электрические контакты и соединительные проводники смещаются от «заводского» положения, а когда температура наконец падает, происходит охлаждение, и герметизирующее вещество вновь застывает, но при этом давит на уже немного смещенные соединения, что в итоге приводит к явному нарушению первоначально равномерной проводимости. Благо, светодиоды изготовленные без соединительных проводников практически лишены данного недостатка.

Паяные соединения между светодиодом и подложкой также испытывают похожую проблему. Регулярные циклические, не заметные на глаз, размягчения и затвердевания заканчиваются появлением трещин в пайках и нарушением исходного контакта. Вот почему встречаются отказы светодиодов по причине разрыва цепи питания, причем разрыв этот часто не виден. Чтобы предотвратить данную проблему, можно максимально уменьшить разницу между безопасной рабочей температурой светодиода и температурой окружающей среды.

Читайте также:  Цифровая подстанция стандарт мэк 61850

Мощные светодиоды (потребляющие больше электрической мощности) дают больше света, но их световая отдача все же имеет ограничение. Вот почему у потребителей и производителей часто возникает опасный соблазн эксплуатировать светодиоды в светильнике на полную мощность, дабы получить максимально возможную яркость. Но это действительно опасно, если не обеспечить достаточно эффективного охлаждения.

Разумеется, дизайнеры хотят создавать элегантные светильники интересных форм, однако они порой забывают что необходимо обязательно обеспечить соответствующее движение воздуха и адекватный отвод тепла — это для светодиодов зачастую самое главное, следующее за стабилизированным и качественным источником питания.

Да и непосредственно установка светодиодных светильников важна. Если один светильник установлен над другим таким же мощным, то поток воздуха от нижнего светильника может быть замедлен верхним, и нижний будет находиться поэтому в худших температурных условиях. Либо например теплоизоляция в стене или на потолке помещения может помешать теплоотводу, даже если при конструировании светильника все тепловые расчеты были выполнены идеально и технологически он изготовлен максимально правильно. Все равно вероятность отказа повышается просто из-за необдуманного и неграмотного монтажа готового изделия.

Одно из достойных решений проблемы перегрева светодиодов — включение в схему драйвера температурной защиты с обратной связью именно по температуре. Когда температура излучателя по какой-нибудь причине опасно повысилась — для понижения мощности, с целью удержания температуры внутри безопасного диапазона, автоматически уменьшается ток.

Простейшее решение — добавить в схему термистор с положительным температурным коэффициентом (можно и с отрицательным температурным коэффициентом, но тогда схема должна инвертировать сигнал в цепи обратной связи).

Пример термической защиты с использованием термистора

Для примера рассмотрим схему на базе специализированного микроконтроллера с токоограничительной цепью. Когда температура поднимается выше определенного порога (задается термистором и резисторами), термистор с положительным коэффициентом сопротивления, закрепленный на радиаторе вместе со светодиодами, увеличивает свое сопротивление, что приводит к соответствующему уменьшению тока в выходной цепи драйвера.

В этом плане очень удобны схемы драйверов с регулировкой яркости по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции), позволяющие одновременно и вручную регулировать яркость, и защищать светодиоды от перегрева.

Решение с термистором удобно тем, что изменение тока, а значит и уменьшение яркости, будет в такой схеме происходить плавно, незаметно для глаз и нервной системы, а значит ничего не будет мерцать и не вызовет у окружающих людей и животных раздражения. Температура верхней границы просто определяется выбором термистора и резистора. Это гораздо лучше решений с термодатчиками, которые просто резко размыкают цепь и дожидаются пока радиатор остынет, а потом снова включают освещение на полную яркость.

Специализированные микросхемы-драйверы светодиодов, безусловно, стоят денег, однако получаемые взамен надежность и долговечность работы светильника многократно окупят это вложение.

Стоит лишь вспомнить, что при соблюдении нормального температурного режима эксплуатации светодиодов их срок службы измеряется десятками тысяч часов, тогда и вопросы касательно материальных затрат на «правильный» драйвер отпадают сами собой.

Важно лишь обеспечить самому драйверу постоянную невысокую температуру, для этого всего лишь не нужно размещать его близко к радиатору светодиодов. Не правильно делают те, кто донельзя стремится уплотнить размещение компонентов внутри корпуса прожектора. Лучше вывести корпус драйвера отдельным блоком. Здесь безопасность и предусмотрительность — залог долговечности светодиодов.

Лучшие микросхемы для управления питанием светодиодов оснащены внутренними цепями защиты от собственного перегрева на тот случай если микросхема по конструктивным соображениям разработчика светильника все же должна размещаться в одном корпусе с заметно нагревающимися компонентами, такими как радиатор. Но лучше вообще не допускать перегрева микросхемы выше 70 °C и оснастить ее собственным радиатором. Тогда и светодиоды и микросхема драйвера проживут дольше.

Интересным может оказаться решение с применением двух последовательно соединенных термисторов в цепи термической защиты. Это будут разные термисторы, так как безопасные температурные границы у микросхемы и у светодиодов различны. А вот результат будет достигнут что надо — плавная регулировка яркости как при перегреве драйвера, так и при перегреве светодиодов.

Комментировать
4 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector