Разработка систем защиты

Особое место при проектировании полупроводникового устройства следует уделять вопросу его надежности. Надежность любого технического устройства характеризуется вероятностью безотказной работы его в течение определенного отрезка времени в заданных условиях эксплуатации. Безотказной работой считается нормальное выполнение техническим устройством всех своих функций в пределах заданных допусков. Отклонение же параметров устройства от допустимых пределов принято называть отказом устройства.

Для полупроводниковых стабилизаторов характерными являются два типа отказов, которые в теории надежности принято называть постепенными и внезапными. Такое разделение отказов достаточно условно, но является удобным для практического применения.

Постепенные отказы проявляются в виде температурных, временных и других и других дрейфов стабилизируемого параметра (напряжения или тока), когда величина параметра выходит из допустимых пределов. Они обусловлены, главным образом, температурной чувствительностью и старением полупроводников и других элементов (сопротивлений и т. п.).

Значительное уменьшение вероятностей постепенных отказов достигается путем применения термокопенсации, а также специальных мер для снижения эффекта старения (предварительного отбора и тренировки полупроводников и сопротивлений, введения специальных подстроечных элементов и т. п.). Возможность постепенных отказов особо следует учитывать в прецизионных стабилизаторах, являющихся источниками эталонного или опорного напряжения.

Однако наиболее существенными в полупроводниковых стабилизаторах являются внезапные отказы, характеризуемые полным прекращением стабилизации. При этом величина стабилизируемого параметра практически мгновенно выходит из заданных пределов, либо падая до нуля, либо возрастая до максимума.

Внезапные отказы в большинстве случаев обусловлены повреждениями полупроводниковых приборов вследствие их теплового пробоя. Тепловой пробой характеризуется необратимыми изменениями p-n-перехода вследствие возрастании его температуры сверх допустимой. Он наступает из-за потери переходом тепловой устойчивости, когда на переходе выделяется больше тепла, чем отводится.

В наибольшей степени зависит от температурных условий и электрического режима частота отказов мощных транзисторов. Она экспоненциально возрастает с ростом температуры и напряжения. Поэтому вероятность внезапных отказов наиболее велика в универсальных лабораторных источниках и в стабилизаторах, работающих в широком диапазоне климатических воздействий.

Практические методы уменьшения вероятности внезапных отказов полупроводниковых стабилизаторов заключаются в обеспечении правильных электрических и тепловых режимов полупроводников в любых ожидаемых режимах работы схемы. Это достигается несколькими путями. Один из них — конструктивный, состоящий в улучшении отвода тепла от мощных транзисторов и диодов.

Другой путь обеспечения правильных тепловых режимов — схемный, при котором ограничивается мощность, выделяемая на транзисторах в любых режимах работы стабилизатора. Это достигается, прежде всего, применением специальных схем стабилизаторов с эффектом «самозащиты», а также специальных защитных устройств в обычных стабилизирующих схемах.

Выбор средств защиты, оценка их эффективности и координация действий их элементов определяются свойствами полупроводниковой структуры приборов и режимами их работы в схемах преобразователей. При перегрузке возрастают потери мощности в p-n-переходе, и его температура, вследствие малой теплоемкости, резко увеличивается. В случае повышения некоторого критического значения температуры p-n-перехода полупроводниковый прибор выходит из строя, поэтому температура является основным параметром, характеризующим перегрузочную способность полупроводниковых приборов.

Работоспособность полупроводниковых приборов при аварийных режимах восстанавливается с помощью защитных устройств, которые должны обладать максимальным быстродействием для ограничения амплитуды и длительности аварийного тока; иметь высокую надежность и простоту; быть селективными, то есть обеспечивать отключение только поврежденных элементов; быть простыми в настройке и обслуживании и иметь низкую относительную стоимость по сравнению с затратами на основное оборудование.

В общем случае защита полупроводниковых преобразователей осуществляется при помощи быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей в сочетании с рядом других устройств.

Схемы защиты на предохранителях отличаются максимальной простотой. Их недостатком является необходимость менять предохранитель после каждого короткого замыкания. Кроме того, сам предохранитель как элемент с несколькими прижимными контактами является достаточно ненадежным, особенно при больших механических перегрузках.

Существует также большое количество схем защиты с применением различных реле, имеющих фиксирующее устройство («защелку»), которое после срабатывания оставляет реле включенным. Простейшие схемы защиты то перегрузки по току и от короткого замыкания на реле приведены на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы защиты от перегрузки по току и от короткого замыкания на реле, а — схема с использованием реле напряжения, б — реле тока.

Недостатком схемы а является необходимость наличия кнопки для временного замыкания контактов реле при включении стабилизатора. Кроме того эта схема не защищает от перегрузки по току, и обмотка реле постоянно находится во включенном состоянии. Обе схемы являются очень чувствительными к механическим перегрузкам. Но по сравнению со схемами на предохранителях могут быстро восстанавливать работоспособность после устранения перегрузки без замены элементов.

Из-за указанных недостатков эти схемы не нашли широкого применения. Чаще используют комбинированные схемы на реле и на транзисторах, позволяющие получить более четкие уровни срабатывания при перегрузках по току, а также совмещать защиту от разных факторов (рисунок 9).

Рисунок 9. Схемы защиты от перегрузки по току и от короткого замыкания на транзисторах и реле с датчиком тока: а — включенным в «плюсовую» цепь с нормально разомкнутым контактом реле. б — включенным в «плюсовую» цепь с нормально замкнутым контактом реле.

Быстродействие вышеприведенных схем составляет около десяти миллисекунд, что не всегда является достаточным для обеспечения защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. В этом случае применяют схемы защиты на транзисторах, которые используют принцип запирания регулирующего или какого-либо дополнительного транзистора при перегрузке или коротком замыкании. В таких схемах используются различные устройства с двумя устойчивыми состояниями (рисунок 10).

Рассмотрим принцип работы схемы а. В этой схеме делитель включен в цепь эмиттера VT3, а коллектор VT3 включен на базу регулирующего транзистора. Напряжение на базе VT3 равно разности падения напряжения на R_{з и напряжения смещения Uсм. Резистор Rз и напряжение смещения выбираются так, чтобы в рабочем режиме VT3 был заперт и не влиял на работу схемы стабилизатора. При небольшой перегрузке уменьшается Rн и ток нагрузки увеличивается.}

Рисунок 10. Схемы защиты от перегрузки по току и от короткого замыкания на транзисторах: а — с ограничением тока перегрузки, б — с включением датчика тока в «плюсовую» цепь и запиранием регулирующего транзистора.

При этом VT3 открывается и тем самым шунтирует базовую цепь, что приводит к запиранию регулирующего транзистора. При дальнейшем уменьшении R_{н схема работает в режиме стабилизации тока: ток нагрузки увеличивается мало и выходное напряжение падает. Это приводит к уменьшению запирающего напряжения смещения, и регулирующий транзистор еще больше запирается. При этом в зависимости от величины Rз и напряжения смещения при коротком замыкании устанавливается такой режим, при котором ток нагрузки может быть больше, равен или несколько меньше номинального значения. Напряжение на коллекторе регулирующего транзистора равно напряжению смещения Uвх1. Мощность рассеяния регулирующего транзистора в этом режиме обычно превышает мощность рассеяния в рабочем режиме. После устранения короткого замыкания схема автоматически включается, так как появляется напряжение на выходе, а соответственно появляется и запирающее напряжение смещения. При этом VT3 закрывается и схема стабилизатора начинает нормально функционировать, что является важным достоинством рассматриваемой схемы. Существуют многие другие транзисторные схемы защиты (с различного вида триггерами и др.), которые могут быть несхожими с рассмотренной, но не имеют существенных преимуществ перед ней.}