In questo articolo di Traco Power analizzeremo il fenomeno del cortocircuito e le soluzioni per la protezione degli alimentatori.
Protezione degli alimentatori da condizioni di sovracorrente
Per garantire una durata di funzionamento sicuro e affidabile, gli alimentatori sono dotati di vari meccanismi di protezione. Alcuni di questi limitano la corrente erogata in condizioni di guasto da cortocircuito, garantendo che i componenti dell'alimentatore non si surriscaldino o si rompano, consentendo all'unità di tornare al normale funzionamento una volta rimosso il guasto. Tuttavia, alcuni casi d'uso e carichi, in determinate condizioni, possono attivare questi meccanismi di protezione. Ciò può portare a confusione sull'origine di un errore. Per capire se è l'alimentatore o l'apparecchiatura che sta portando ad essere difettoso, è essenziale comprendere i meccanismi di protezione utilizzati e i loro limiti.
Cos'è un cortocircuito?
La maggior parte degli ingegneri ha sperimentato le conseguenze di un cortocircuito ad un certo punto. L'estremità nuda di un filo tocca un involucro con messa a terra e viene così rilasciato il fumo magico di un componente. Ma, quando si progetta un alimentatore, è necessario definire cos'è un cortocircuito per progettare un circuito di protezione appropriato. Un cortocircuito è tipicamente definito come una connessione con una resistenza inferiore a 1 Ω o una resistenza di shunt che fa scendere la tensione di uscita al di sotto di 100 mV. In un alimentatore a singola uscita, il cortocircuito sarebbe tra +VOUT e -VOUT.
Un cortocircuito danneggerà un alimentatore a meno che non disponga di un circuito di protezione adeguato
I metodi di protezione vanno dalla limitazione della corrente costante e dalla limitazione della corrente fold-back alla protezione in modalità singhiozzo. Tuttavia, non è necessariamente evidente all'utente che la protezione è stata attivata, rendendo difficile determinare la causa di un guasto. Inoltre, alcuni carichi, come condensatori e motori, elettricamente sembrano cortocircuiti in determinate condizioni.
Come funziona la limitazione della corrente costante?
In caso di cortocircuito, gli alimentatori che utilizzano la limitazione di corrente costante riducono la tensione di uscita quasi a zero fornendo la stessa corrente. Quando misurato, possono essere presenti alcuni millivolt. In queste condizioni, il circuito di protezione garantisce che non si verifichino danni ai transistor di uscita dell'alimentatore. L'unità sopravviverà a tali condizioni indefinitamente e garantirà la sicurezza quando funziona incustodita. È essenziale capire che questo differisce dalla protezione da sovraccarico di corrente costante offerta da alcuni alimentatori. La scheda tecnica può specificare una modalità di corrente costante per una corrente di uscita del 105 - 130% dell'uscita nominale massima. Tuttavia, il funzionamento a lungo termine in tali condizioni distruggerà un alimentatore.
La limitazione di corrente continua nel fornire la corrente specificata riducendo la tensione quasi a zero (a sinistra). Viene anche mostrato un semplice circuito di limitazione della corrente (a destra)
Quale protezione offre la limitazione della corrente di fold-back?
Un meccanismo di protezione alternativo è la limitazione della corrente di fold-back. Ciò riduce la corrente e la tensione una volta che l'assorbimento di corrente supera un valore predefinito. Man mano che viene assorbita più corrente, sia la corrente che la tensione vengono ulteriormente ridotte. Poiché questo meccanismo non è definito universalmente, i progettisti di alimentatori sono liberi di implementarlo come meglio si adatta all'applicazione. Quando si individuano guasti a tali apparecchiature, ciò può causare confusione poiché la tensione e la corrente sembrano essere al di fuori delle specifiche della scheda tecnica. Supponiamo che l'applicazione assorba regolarmente più della corrente massima specificata, ma i livelli non sono abbastanza alti da essere considerati un cortocircuito. In questi casi, l'alimentatore rischia danni permanenti o guasti. In condizioni di cortocircuito reali, la limitazione della corrente di fold-back fornisce una migliore protezione del transistor di uscita per l'alimentatore rispetto all'approccio limite a corrente costante.
La limitazione della corrente di fold-back riduce la corrente e la tensione. La quantità precisa di riduzione della tensione può variare e non è universalmente definita
I carichi non lineari e non ohmici possono, tuttavia, causare problemi. La grande corrente di spunto causata da tali carichi può causare il blocco, una situazione in cui l'alimentatore impegna la limitazione della corrente ma non può uscire.
In che modo le modalità a singhiozzo proteggono gli alimentatori?
Per evitare tali condizioni di blocco, alcuni progetti utilizzano una protezione in modalità singhiozzo controllata digitalmente. Come suggerisce il nome, una volta rilevata la condizione di cortocircuito, l'alimentatore tenta ripetutamente di riavviare la sua uscita a intervalli regolari. Poiché il circuito di uscita è spento, il rischio di sovraccarico termico di transistor, MOSFET e diodi Schottky è significativamente ridotto. Ancora una volta, come la limitazione della corrente di fold-back, non ci sono standard per l'implementazione, quindi il tempo tra i tentativi di riavvio varia. Il periodo può variare da decine di millisecondi a secondi tra un tentativo e l'altro.
La modalità a singhiozzo protegge l'alimentazione spegnendo l'uscita in condizioni di cortocircuito. Tenterà quindi automaticamente di riavviarsi periodicamente
Elevate correnti di spunto, come i condensatori di carica, possono anche attivare la modalità a singhiozzo. Se il carico non è collegato, i condensatori possono caricarsi per alcuni cicli di singhiozzo, con conseguente funzionamento normale. I cortocircuiti su lunghe lunghezze di cavo possono anche ostacolare la risoluzione dei problemi, poiché il periodo di singhiozzo deve essere considerato dopo ogni modifica e potrebbe essere necessario un momento prima che venga vista la tensione desiderata.
Devo cambiare il fusibile interno di un alimentatore?
I fusibili sono un altro metodo per proteggere le uscite di alimentazione. Tuttavia, sono difficili da specificare perché, come abbiamo visto, non tutte le condizioni di alta corrente sono cortocircuiti. Una volta tolto, deve essere reperito il sostituto corretto, che potrebbe non essere sempre a portata di mano. Questo è il motivo per cui i meccanismi di protezione elettronica sono una caratteristica standard degli alimentatori avanzati di oggi. Gli alimentatori sono dotati di fusibili interni, progettati per proteggere dai guasti. Tuttavia, è consigliabile contattare il fornitore per l'analisi. Non è consentito aprire o modificare un alimentatore da soli.
Articolo originale in inglese disponibile al link: PSU Over Current Protection | Traco Power
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