Енергособірающіе пристрої (Energy Harvesters) становлять значний інтерес для харчування бездротових систем і компонентів, тому що допускають тривалу і безвідмовну роботу без втручання людини, забезпечують значні переваги щодо характеристик, надійності і ціни. В даний час вони успішно застосовуються в бездротових системах, доповнюючи або навіть заміщаючи батарейні пристрої для живлення датчиків, виконавчих механізмів, трансиверів, реєстраторів і т.д. Автономне живлення на всіх рівнях системної інтеграції - перспективний напрямок в еволюції бездротових систем.
У статті розглядаються основні параметри і області застосування гібридних конденсаторів, виготовлених за технологією EDLC (Electric Double-Layer Capacitor - конденсатор з подвійним електричним шаром) і літієво-іонною технологією.
Запобіжники захищають ланцюга від перевантажень по струму, які призводять до розплавлення захисного елемента і розмикання ланцюга. У статті розглядаються основні характеристики запобіжників, критерії їх вибору для різних додатків і ті «підводні камені», про які повинен знати кожен розробник.
редохранітелі служать двом основним цілям.
1. Захист компонентів, обладнання та людей від ризику виникнення пожежі та ураження електричним струмом.
2. Ізоляція підсистем від основної системи.
Існують два типи перевантаження по току: 1) надмірне навантаження, при якій протікає по ланцюгу струм перевищує її пропускну здатність; 2) коротке замикання, або викид струму.
Незалежно від типу перевантаження характеристики запобіжників розраховуються таким чином, щоб ці комутаційні пристрої були найслабшою ланкою ланцюга.
Швидкодіючі запобіжники спрацьовують, як тільки перевищується їх номінальний струм. Така швидкість необхідна при експлуатації чутливої електронної техніки і багатьох перетворювачів. Ці запобіжники, як правило, застосовуються в активних навантаженнях з малими рівнями пускового струму.
Запобіжники з затримкою часу спрацьовують тільки в разі струмових перевантажень, які тривають обмежений час, і, як правило, призначені для захисту індуктивних і ємнісних навантажень від великого пускового струму при подачі живлення. Затримка дозволяє запобігти запобіжник від марного спрацьовування. Цей тип пристроїв витримує великі кидки струму, ніж швидкодіючі запобіжники, і з успіхом застосовуються для захисту входу DC / DC-перетворювачів, тому що в більшості перетворювачів є вхідна ємність, через яку протікає струм високої амплітуди при початковій зарядці.
Якщо внутрішня ланцюг перетворювача не витримує умов перевантаження, запобіжник перешкоджає виникненню вогню або інших руйнівних наслідків. Більшість DC / DC-перетворювачів захищено від короткого замикання на виходах або за допомогою токоогранічительний ланцюга, або схеми захисту від теплового перевантаження.
При виборі вхідного запобіжника для DC / DC-перетворювача слід знати і враховувати наступні параметри.
1. Номінальна напруга.
2. Номінальний струм.
3. Струм розриву.
4. Температурний догляд параметрів.
5. Інтеграл плавлення (I2t).
6. Максимальний струм ушкодження ланцюга.
7. Відповідність стандартам.
8. Механічні параметри.
Запобіжники нормуються по постійному або змінному напрузі, при якому вони можуть безпечно використовуватися. Запобіжник, встановлений в ланцюг змінного струму (АС), характеризується інакше, ніж в ланцюзі постійного струму (DC). У ланцюзі АС амплітуда напруги 50-60 разів в секунду проходить через нульовий потенціал, що перешкоджає виникненню дуги, що утворюється при розплавленні плавкого елемента і освіті зазору. У ланцюгах постійного струму поява дуги виключити складніше.
Як правило, номінальна напруга запобіжника змінного струму збігається з напругою мережі - 110, 220, 415 В і т.д. Це означає, що запобіжник можна використовувати при зазначених напружених і він пройшов випробування при значеннях, по крайней мере, на 15% вище номінального. Якщо вказано номінальне постійна напруга, то воно є максимальним і не повинен бути перевищений при експлуатації. Іншими словами, номінальна напруга запобіжника має дорівнювати або вище напруги, максимально допустимого в системі.
Запобіжники нечутливі до зміни напруги в діапазоні номінальних значень, тому вибір номінальної напруги жорстко пов'язаний з питанням безпеки системи. Запобіжники можуть працювати при будь-якій напрузі нижче або рівному номінальному значенню.
Хоча у деяких джерел живлення вихідний струм регулюється, DC / DC-перетворювачі видають постійну потужність. Це означає, що при падінні вхідної напруги вхідний струм збільшується таким чином, щоб твір P = V ∙ I залишилося незмінним.
Мінімальний номінальний струм запобіжника визначається максимальним вхідним струмом DC / DC-преоб-ра-зо-Ватель. Як правило, максимальне споживання струму відбувається при максимальній вихідній навантаженні і мінімальному вхідному напрузі. Максимальна величина вхідного струму визначається з виразу
де POUT (MAX) - максимальна вихідна потужність DC / DC-перетворювача; VIN (MIN) - мінімальна вхідна напруга DC / DC-перетворювача; ККД - ефективність DC / DC-преоб-ра-зо-ва-ті-ля при POUT (MAX) і VIN (MIN) (вказана в спеці-ції).
Щоб запобігти руйнуванню компонентів перетворювача, номінальний струм запобіжника вибирається з великим запасом так, щоб запобіжник спрацьовував не в сталому режимі, а при перевантаженні або короткому замиканні. Як правило, з цих міркувань вибирається запобіжник, який витримує струм, що перевищує максимальний вхідний струм в сталому режимі на 150-200%, при максимальному навантаженні і мінімальному вхідному напрузі мережі.
Номінальне значення струму плавлення запобіжника визначається максимальним струмом при номінальній напрузі, коли цей пристрій надійно спрацьовує. Ця величина повинна перевищувати максимальний струм короткого замикання ланцюга. Номінальні значення струму плавлення для змінного і постійного струмів розрізняються, і перед вибором запобіжника рекомендується подивитися його технічний опис.
Якщо запобіжник використовується при температурі навколишнього середовища, яка перевищує стандартне значення 23 ° C, номінальний струм цього комутаційного пристрою слід підвищити. І, навпаки, при навколишній температурі нижче 23 ° C використовуються запобіжники з меншим значенням номінального струму. На малюнку 1 показана типова крива погіршення параметрів запобіжника. Номінальний струм запобіжника визначається з виразу
де IINPUT (MAX) - струм, який визначається рівнянням (1), або DC / DC-Перетворюва-ті-ля; KTEMP - температурний догляд параметрів, який визначається з малюнка 1.
Мал. 1. Типова крива температурного догляду параметрів
Найменша відповідне номінальне значення струму розраховується шляхом округлення отриманої величини до найближчого вищого значення струму, зазначеного в специфікації.
Максимальний пусковий струм DC / DC-перетворювача, як правило, значно вище струму в усталеному режимі. Крім того, періодичні кидки струму можуть виявитися досить великими, щоб розігріти вставку запобіжника. І, хоча вона не розплавляється, ці струми викликають тепловий вплив на елемент. Періодичні розширення та стиснення плавкого елемента можуть привести до виникнення механічної втоми і передчасної відмови.
При виборі запобіжника необхідно враховувати сумарну величину розплавлення. Ця величина I 2 t являє собою теплову енергію, необхідну для розплавлення конкретної вставки. Значення I 2 t визначається конструкцією цього елемента, його матеріалом і площею поперечного перерізу.
Завдання розробника в тому, щоб вибрати запобіжник з таким мінімальним значенням I 2 t, яке перевищує енергію імпульсу пускового струму. В цьому випадку запобіжник не спрацює в умовах перехідного процесу. Для надійної роботи системи з необхідним числом циклів включення потрібно виконати таку умову:
де I 2 t (Fuse) - сумарне значення енергії розплавлення запобіжника; I 2 t (Pulse) - енергія імпульсу струму; Fp - коефіцієнт імпульсу (залежить від конструкції плавкого елемента, див. Табл. 1, 2).
Таблиця 1. Коефіцієнт імпульсу струму для твердотільних запобіжників
Величина I 2 t (Fuse) вказується в технічній специфікації запобіжника.
Рекомендується використовувати мінімальне або номінальне, а не максимальне значення інтеграла плавлення з рівняння (3).
При виборі запобіжника слід також звернути увагу на пускові струми і нестаціонарні умови навантаження. При подачі живлення на DC / DC-пре-про-ра-зователь конденсатори на його вході повинні бути заряджені. Час зарядки конденсаторів від струму I = V / R, що надходить на входи перетворювача з типового джерела живлення, не перевищує 10 мс. При цьому вхідна напруга V стрибкоподібно змінюється, а R визначається опором розводки, опором джерела струму при включенні і еквівалентним послідовним опором (ESR) вхідних конденсаторів перетворювача.
В DC / DC-перетворювачів великого розміру часто використовується великий конденсатор з дуже низьким значенням ESR. Пусковий струм в цих випадках має суттєвий вплив на роботу запобіжника. Вибір правильного розміру цього пристрою дозволить пусковим струмів проходити через нього, не викликаючи оплавлення і не руйнуючи плавкий елемент в процесі експлуатації.
При розрахунку енергії токового імпульсу слід, в першу чергу, визначити його величину і тривалість. Найбільш правильним способом визначення параметрів імпульсу є вимір цього струму в додатку при мінімальному і максимальному напрузі.
Слід зауважити, що значення інтеграла плавлення I 2 t необхідно розраховувати при максимальних значеннях струму і часу імпульсу. Наприклад, якщо струм в сталому режимі максимальний на стороні низької напруги, до значення цього струму слід додати наброс нестаціонарної навантаження, щоб встановити пікову величину струму в умовах функціонування перетворювача. Однак пусковий струм, як правило, максимальний при максимальному вхідному напрузі. Інтеграл плавлення I 2 t необхідно оцінювати за максимальним значенням, щоб запобіжник чи не перегорів при «нормальних» робочих умовах.
Коефіцієнт імпульсу залежить від конструкції плавкого елемента (див. Табл. 1, 2).
Запатентована твердотільна конструкція, яка використовується в серії запобіжників R 0603FA, 3216FF, CC12H і CC06 компанії Cooper Bussmann, забезпечує періодичну роботу і хороші температурні характеристики цих пристроїв, дозволяючи істотно знизити помилкові спрацьовування. Крім того, ці запобіжники невеликого розміру захищають від непередбачених кидків струму з боку системи, а жорстка конструкція дозволяє зменшити перегрів запобіжників від повторних кидків, які можуть викликати спрацьовування пристроїв при невеликих токах.
Дротова конструкція у запобіжників 3216TD і нової серії S505H, а також багатьох традиційних трубчастих запобіжників забезпечує захист від високих пускових струмів. Дротова технологія дозволяє створювати невеликі запобіжники, не жертвуючи показником I 2 t, діапазонами робочої температури або напруги. Використання запобіжників з надійною можливістю захисту від сплесків пускового струму означає меншу частоту спрацьовування цих пристроїв.
Вимоги північноамериканського стандарту UL / CSA, а також європейських стандартів IEC для пристроїв, що оберігають від перевантаження по струму, істотно різні щодо кривих залежності струму від часу. Запобіжники стандарту UL повинні спрацьовувати при струмі, що дорівнює 135% від номінального значення, тоді як відповідно до IEC це значення вище - 150%.
Вимоги UL і IEC до фізичних розмірами і використовуваних матеріалів запобіжників однакові. Однак запобіжники, виготовлені за різними стандартами, взаємно незаменяемость. Час оплавлення їх елементів і спрацьовування відрізняються при впливі струму однієї амплітуди.
При виборі запобіжника, який задовольняє вимогам системи і стандарту, необхідно врахувати наступне.
- Номінальний струм запобіжника не повинен перевищувати значення, що використовується при безпечному тестуванні DC / DC-перетворювача, захист якого потрібно забезпечити.
- Запобіжник встановлюється на незаземлену сторону схеми, щоб забезпечити безперебійне заземлення в разі спрацювання запобіжника.
- Вхідні провідники ланцюга і заземлення шасі можуть проводити струм, який в 1,5 рази перевищує номінальний струм запобіжника.
В електронних схемах застосовується велика кількість запобіжників різних фізичних розмірів. Найпоширеніша конструкція - циліндрична розмірами 5 × 15 мм, 5 × 20 мм і 6,3 × 32 мм. Циліндричні запобіжники встановлюються в пружинні держателі з аксіальним висновками для пайки на плату. Надмініатюрні запобіжники використовуються в тому випадку, якщо простір на платі обмежено. У таких випадках виконується монтаж цих пристроїв в наскрізні отвори плати або поверхневий монтаж. Стандартними розмірами корпусу для запобіжників під поверхневий монтаж є 0402 (1005), 0603 (1608), 1206 (3216), 6125 і один тисячі двадцять п'ять.
Правила техніки безпеки вимагають використання запобіжників для захисту джерел живлення змінного струму та захисту проти будь-якого катастрофічного відмови конденсаторів у вхідному фільтрі, модуля з ККМ, вихідних конденсаторів або DC / DC-перетворювачів, де розміщення запобіжника F1 (див. Рис. 2) є стандартним. Він встановлюється поруч зі входом таким чином, щоб всі інші компоненти перебували далі по ланцюгу і були захищені.
