과전압 보호 회로: 유형, 기능, 신뢰성 있는 전원 공급을 위한 DIY 프로젝트

분명히 공급 결함 등으로 인해 과전압 상태가 발생하는 것을 경험하거나 들어보셨을 겁니다. 화재 발생이나 회로 오작동, 회로 부품 손상 등 과전압의 영향도 보셨을 수 있습니다.

그렇다면 전원 공급 장치에서 과전압 상황을 어떻게 예방할 수 있을까요?

이 기사를 읽으면 사용할 수 있는 과전압 보호 회로 프로젝트 유형을 배울 수 있습니다. 이해를 돕기 위해 회로도도 포함했습니다.

시작해 보겠습니다.

과전압 보호란?

과전압 보호는 더 높은 전압 레벨에서 출력을 클램핑하거나 전원 공급을 차단하는 전원 공급 기능입니다. 종종 보호가 발생하려면 전압 레벨이 사전 설정 레벨을 초과해야 합니다.

과전압 보호 회로는 주로 많은 전원 공급 장치의 전자 부품 손상을 방지합니다. 이로 인해 과전압 보호는 현재 자동차 응용 분야 등 여러 응용 분야에서 꽤 인기가 있습니다.

(자동차)

과전압 보호 유형

과전압 보호 유형은 비용, 성능, 복잡성에 따라 다릅니다. 모두 효율적인 전원 공급 과전압 보호를 달성합니다.

가장 흔한 세 가지는 다음과 같습니다:

SCR(실리콘 제어 정류기) 크로우바

SCR 크로우바 회로는 전원 공급 출력을 가로질러 단락 회로를 생성하여 과전압을 방지합니다.

SCR 사이리스터는 큰 전류를 스위칭할 수 있고 전하가 분산될 때까지 활성 상태를 유지합니다. 또한 SCR을 퓨즈에 연결하여 퓨즈가 끊어지고 레귤레이터가 더 이상 전압을 받지 않도록 할 수 있습니다.

SCR 크로우바 회로

회로에서 제너 다이오드는 출력의 동작 전압보다 높은 전압을 유지하는 역할을 합니다. 마찬가지로 회로 손상을 방지하기 위해 낮은 전압 레벨을 유지합니다.

따라서 제너 다이오드는 항복 전압을 얻지 못하므로 도통 시 전류 흐름이 없습니다. 결과적으로 사이리스터를 통해 현재 흐르지 않아 차단된 상태를 유지합니다. 그러나 전원 공급 장치는 정상적으로 작동합니다.

(제너 다이오드)

DC 전원 공급 장치의 시리즈 패스 트랜지스터가 고장나면 전압이 종종 상승합니다. 다행히 유닛 디커플링으로 전압이 즉시 증가하는 것을 방지합니다. 전압 상승은 제너 다이오드가 도통하기 시작하는 지점에 도달합니다. 이후 사이리스터 게이트를 통해 전류가 흐르고 트리거됩니다.

트리거 후 사이리스터는 전원 공급 출력을 접지에 단락시켜 회로 손상을 방지합니다. 단락 회로를 사용하여 퓨즈를 끊어 전압 레귤레이터에서 전력을 우회시킬 수도 있습니다. 이 우회는 유닛의 추가 손상을 방지합니다.

(사이리스터)

때로는 사이리스터 게이트에서 접지로 작은 커패시터를 디커플링 유닛으로 배치할 수 있습니다. 목적은 RF나 날카로운 과도 현상이 디커플링 팀에서 전원을 받는 것을 방지하는 것입니다. 이렇게 하면 RF가 게이트 연결에 도달하여 오작동을 일으키지 않습니다.

큰 디커플링은 피하세요. 현실적인 고장 경우에도 과전압 보호를 느리게 할 수 있습니다.

전압 클램핑

전압 클램핑은 두 번째 형태의 과전압 보호입니다.

전압 클램핑 회로

동작에는 제너 다이오드가 정류된 전원 공급 출력에 가로질러 위치해야 합니다. 제너 다이오드 전압이 최대 레일 전압보다 약간 높기 때문에 일반적으로 도통하지 않습니다. 그러나 전압이 너무 높으면 도통을 시작합니다. 그러면 제너 다이오드가 레일 전압보다 높은 값에서 전압을 클램핑합니다.

정류된 전원 공급 장치에 더 높은 전류 능력이 필요하면 제너 다이오드에 트랜지션 버퍼를 추가하세요. 제너 다이오드의 전류 능력을 트랜지스터의 전류 이득과 동일하게 증가시킵니다. 회로에 파워 트랜지스터가 필요하므로 전류 이득 레벨은 20~50까지 떨어집니다.

전압 제한

전압 제한은 스위칭 모드 전원 공급 장치의 과전압 보호 유형입니다. 다행히 스위칭 모드 레귤레이터는 보통 저전압 조건에서 작동하지 않습니다. 하지만 과전압 조건 시 전압 제한 장치를 갖추는 것이 권장됩니다.

전압 제한 조건은 과전압 조건을 감지한 후 DC-DC 컨버터 같은 컨버터를 차단하여 작동합니다.

DC-DC 컨버터와 스위칭 모드 레귤레이터는 보통 칩을 사용하여 회로를 작동합니다. 또한 IC 레귤레이터 외부에 센스 루프를 배치하는 것이 필요합니다. 외부 센스 루프가 중요한 이유는 레귤레이터 칩 손상으로 인한 과전압이 센싱 메커니즘도 손상시킬 수 있기 때문입니다.

참고:

효과적인 성능을 위해 특정 스위칭 모드 레귤레이터 칩과 적용된 특정 회로에 맞는 회로가 필요합니다.

스위칭 모드/스위치드 레귤레이터

과전압 보호 회로 프로젝트

과전압의 지속 시간과 크기가 회로 설계를 결정하여 더 나은 보호를 제공합니다. 이 섹션에서는 두 가지 프로젝트를 논의합니다.

제너 전압 레귤레이터 회로

제너 전압 레귤레이터는 두 가지 기능이 있습니다:

• 첫째, 과전압 보호에 도움이 됩니다.
• 둘째, 입력 공급 전압을 조정합니다.

제너 전압 레귤레이터 회로

위 회로에서 회로의 사전 설정 레벨은 제너 다이오드 정격입니다. 따라서 회로는 약 5.1V의 임계값에서 도통할 수 없습니다.

사전 설정 값: 부하 측 공급을 차단하게 만드는 높은 임계값 전압입니다.

또한 트랜지스터의 베이스-이미터 전압이 트랜지스터 Q1 도통을 결정합니다. 회로 출력 전압이 상승하면 트랜지스터의 Vbe(베이스-이미터 전압)가 증가하고 도통이 줄어듭니다. 이후 출력 전압이 감소하여 지속 가능한 전압 레벨을 유지합니다.

제너 다이오드를 사용한 과전압 보호 회로

이 두 번째 과전압 보호 회로는 제너 다이오드와 함께 PNP 트랜지스터를 사용합니다.

정확한 제너 다이오드 값을 찾기 어려울 수 있으므로 사전 설정 값에 가까운 정격을 선택하세요.

부품 목록

브레드보드,

FMMT718 PNP 트랜지스터,

연결 와이어,

저항 (1k, 2.2k, 6.8k), 그리고

제너 다이오드 5.1V (1N4740A).

제너 다이오드를 사용한 과전압 보호 회로

과전압 보호 회로의 작동 원리

정상 동작 시 전압이 사전 설정 레벨보다 높으면 Q2의 베이스 단자가 증가합니다. PNP 트랜지스터이므로 OFF가 됩니다. Q2의 OFF 조건은 Q1의 베이스 단자를 낮추고 전류 흐름을 허용합니다.

반면 사전 설정 값이 전압보다 작으면 제너 다이오드가 도통을 시작합니다. 그러면 Q2의 베이스를 접지에 연결하여 Q2를 켭니다. Q2의 ON 조건에서 Q1의 베이스 단자가 높아지고 열린 스위치처럼 켭니다. 따라서 Q1이 이를 통한 전류 흐름을 제한하여 과도한 전압이 부하를 손상시키는 것을 방지합니다.

또한 트랜지스터의 전압 강하가 낮아야 정확한 회로 판독을 제공합니다. 우리 경우 낮은 VCE 포화 레벨을 가진 FMMT718 PNP 트랜지스터를 사용했습니다. 트랜지스터 양단의 강하를 가능한 한 낮게 유지합니다.

회로의 단점

전력 소모: 열을 발산하므로 직렬 연결된 저항으로 인해 에너지를 낭비합니다.

요약

결론적으로 현대 전원 공급 장치는 일상 활동에서 의심할 여지 없이 신뢰할 수 있습니다. 그러나 과전압 같은 요인으로 인해 고장날 가능성이 있습니다. 따라서 과전압 보호 수단을 갖는 것이 필요합니다.

위에 있는 종합 가이드로 회로가 안전하길 바랍니다. 그래도 여전히 타는 이슈가 있으면 연락 주세요.