Защита от перегрузки по выходу

Когда речь заходит о защите выходных цепей, большинство инженеров сразу вспоминают классические предохранители — но в преобразователях питания типа тех, что мы собираем на производстве ООО Юэцин Сутун Электрооборудование, всё сложнее. За десять лет работы с силовой электроникой я убедился: многие недооценивают, как динамически меняется нагрузка в реальных условиях, а не в лаборатории.

Почему стандартные решения часто не работают

В 2019 году мы поставляли стабилизаторы для одного завода в Подмосковье. Заказчик требовал защиту от перегрузки по выходу с током срабатывания 25А — по паспорту всё идеально. Но через месяц получили рекламации: платы управления горят. Оказалось, при запуске двигателей возникали кратковременные броски до 40А, на которые обычная защита просто не успевала реагировать.

Тогда мы пересмотрели подход. Вместо простого отслеживания тока добавили анализ di/dt — скорости нарастания тока. Это позволило отличать реальную перегрузку от пусковых бросков. Кстати, на сайте https://www.sutong.ru мы сейчас указываем этот параметр для промышленных стабилизаторов, но многие клиенты всё равно сначала его игнорируют.

Ещё один нюанс — температура. В том же проекте выяснилось, что при -30°C порог срабатывания защиты смещался на 15%. Пришлось добавлять термокомпенсацию в схему, хотя изначально в ТЗ этого не было.

Разработка гибридной системы защиты

После нескольких таких случаев мы в Юэцин Сутун начали экспериментировать с комбинированной защитой. Основная идея — многоуровневая реакция. Первый уровень — быстрое ограничение тока на полевых транзисторах, второй — плавное снижение мощности, и только третий — полное отключение.

В преобразователях для телекоммуникационного оборудования мы использовали связку: датчик тока ACS712 + микроконтроллер STM32 + силовые ключи IRF3710. Но столкнулись с проблемой — при КЗ на выходе микроконтроллер не успевал обработать сигнал. Добавили аналоговый компаратор в обход цифровой части, что дало выигрыш в 2-3 мс.

Интересный момент: при тестировании в климатической камере обнаружили, что медные дорожки на плате сами по себе становятся токоограничивающим элементом. При длительной перегрузке они нагревались и увеличивали сопротивление — неожиданный эффект, который теперь мы учитываем в расчётах.

Особенности защиты в разных типах оборудования

Для сварочных инверторов, которые мы выпускаем с 2018 года, подход совсем другой. Там кратковременные перегрузки — нормальный режим работы. Сделали защиту с регулируемой времятоковой характеристикой, похожей на автоматы защиты двигателей.

А вот в блоках питания для медицинской техники пришлось полностью исключить резкое отключение — только плавное снижение мощности с сигнализацией. Помню, как переделывали схему для аппарата ИВЛ три раза, пока не добились плавного уменьшения тока без скачков напряжения.

В последних разработках для систем освещения используем интеллектуальную защиту — она анализирует не только ток, но и форму кривой. Это помогает отличать реальную перегрузку от пусковых токов светодиодных драйверов, которые могут в 10-15 раз превышать номинал.

Типичные ошибки при проектировании

Самая распространённая ошибка — ставить защиту только по току, забывая про температуру радиатора. Мы сами в 2017 году попались на этом — защита срабатывала исправно, но силовые ключи выходили из строя от перегрева до того, как достигался порог по току.

Ещё один момент — не учитывать индуктивность нагрузки. При отключении индуктивной нагрузки возникают выбросы напряжения, которые могут повредить элементы защиты. Добавление TVS-диодов решило проблему, но увеличило стоимость схемы на 5-7%.

Часто забывают про защиту от перегрузки по выходу при работе на емкостную нагрузку — тут обычные методы не работают, нужен контроль производной напряжения.

Практические рекомендации для инженеров

Из нашего опыта: всегда тестируйте защиту на реальной нагрузке, а не на эквивалентах. Как-то раз столкнулись с ситуацией, когда защита прекрасно работала на резистивной нагрузке, но не справлялась с асинхронным двигателем — из-за фазового сдвига.

Рекомендую закладывать запас по току срабатывания не менее 20% от номинала — но это зависит от применения. Для критичных систем лучше 30-40%.

Не экономьте на датчиках тока — разброс параметров дешёвых датчиков может достигать 25%, что делает точную защиту невозможной. Мы после серии неудач перешли на датчики LEM, хотя они дороже.

И последнее — никогда не пренебрегайте тестированием в крайних режимах. Однажды при -40°C защита сработала при токе на 50% ниже номинала — виной был электролитический конденсатор в цепи сравнения.