Схемы защиты выходов от перенапряжения

В контрольно-измерительных приложениях необходимо предусмотреть защиту от перенапряжений выходных клемм усилителей, источников питания и подобных компонентов. Обычным способом решения этой задачи является добавление последовательных резисторов к выходному узлу и ограничительных диодов, подключаемых к шинам питания или другим напряжениям, запирающим диоды ([1], Рисунок 1). Эти резисторы значительно снижают нагрузочную способность и размах выходного напряжения при низкоомных нагрузках. Альтернативный подход заключается в использовании предохранителей или других ограничителей тока, включаемых перед устройствами, способными поглощать большое количество энергии. Схема на Рисунке 2 работает как биполярный источник тока, когда падение напряжения на истоковом резисторе R₆ становится больше, чем пороговое напряжение затворов MOSFET Q₁ и Q₂, работающих в режиме обеднения, тем самым, ограничивая ток через диоды [2]. Недостатком этого подхода является большое рассеивание мощности на последовательных компонентах при перегрузке.

Рисунок 1.	Обычным способом защиты от перенапряжения является добавление последовательных резисторов к выходному узлу и ограничительных диодов, подключаемых к шинам питания или другим напряжениям, запирающим диоды.

Разумным подходом является отключение выходного узла усилителя от выходных клемм на период, когда на них существует чрезмерное напряжение. Инженеры десятилетиями использовали в качестве размыкающего элемента в звуковых усилителях мощности последовательно включенные электромеханические реле, но по другой причине: для защиты громкоговорителей. Для отключения нагрузки при умеренных уровнях тока подходят твердотельные реле благодаря гальванической развязке между выводами управления и нагрузки [3].

Рисунок 2.	Эта схема работает как биполярный источник тока, когда падение напряжения на истоковом резисторе R6 становится больше, чем пороговое напряжение затворов MOSFET Q1 и Q2, работающих в режиме обеднения, тем самым, ограничивая ток через диоды.

Последовательная схема защиты на Рисунке 3 отключает выход усилителя с помощью последовательно включенного высоковольтного твердотельного реле. Если выходное напряжение превысит порог положительного опорного напряжения или будет ниже порога отрицательного опорного напряжения, компаратор IC₂ или IC₃ изменяет состояние своего выхода и отключит твердотельное реле IC₄ через логический элемент IC₅. Простая схемная реализация этого подхода показана на Рисунке 4.

Рисунок 3.	Эта последовательная схема защиты отключает выход усилителя с помощью последовательно включенного высоковольтного твердотельного реле.

Для использования твердотельного реле в качестве устройства защиты от повышенного выходного напряжения в схеме на Рисунке 4 требуется всего несколько внешних компонентов. Превысившее порог напряжение выключает оба транзистора сборки IC₂, прерывая протекание тока через управляемый сборкой светодиод твердотельного реле IC₃. Фотореле IC₃ размыкается, защищая усилитель и ограничительные диоды. Схема проверялась с несколькими твердотельными реле Clare, Matsushita и Panasonic с внутренней защитой по току и без нее. Напряжения шин питания составляли ±15 В, уровни срабатывания защиты, устанавливаемые резисторами R₁₀, R₁₁ и R₁₂ были равны ±16 В. Исключение R₁₁ понижает уровни срабатывания до ±14.5 В. Задержка выключения твердотельных реле при срабатывании схемы защиты составляет от 100 до 200 мкс при превышении напряжения на 0.5 В и становится немного меньше при более высоком перенапряжении. Обратите внимание, что при использовании твердотельных реле с низким сопротивлением пиковый ток через ограничительные диоды может быть довольно большим.

Рисунок 4.	Для использования твердотельного реле в качестве устройства защиты от повышенного выходного напряжения в этой схеме требуется всего несколько внешних компонентов.

Ссылки

1. Steele, Jerry, “Protect Those Expensive Power Op Amps.”
2. Схема защиты от напряжений ±500 В
3. Stitt, R Mark, and David Kunst, “Input Overload Protection for the RCV420 4-20mA Current-Loop Receiver.”
4. “Fault-Tolerant Analog Switches.”

Материалы по теме

1. Datasheet Diodes B240A
2. Datasheet Nexperia BAV99
3. Datasheet Texas Instruments OPA551
4. Datasheet NXP PUMD12