Автор текста: OldFashionedEngineer
«Я не такой человек», «Со мной такого никогда не случится», — говорили они, упорно продолжая устанавливать батарею задом наперед…
При проектировании многих схем, особенно со сменными аккумуляторными источниками питания, они должны иметь защиту от переполюсовки. Если вы уверены, что для решения этой проблемы достаточно диода, то эта статья для вас. Мы подробно рассмотрим и смоделируем несколько схем защиты от переполюсовки и оценим возможности их применения. Подводя итог, изложу краткую схему выбора вариантов схемотехнического решения для конкретной ситуации.
Приглашаем всех, кто интересуется электроникой, присоединиться к этому посту!
❯ Механическая защита
Очень распространенный метод. Большинство современных разъемов и почти все силовые разъемы механически «защищены от дурака» — конструкция ответных разъемов позволяет подключать их только в одном положении, при котором соблюдается необходимая последовательность подключения. Но этот метод защиты не должен исключать другие методы и лучше всего использовать его совместно с электронной защитой.
Цветовая маркировка проводов часто используется совместно с механической защитой. Это позволяет вам привлечь дополнительное внимание людей, с которыми вы общаетесь.
Заметил, что механическая защита от переполюсовки не всегда упрощает устройство. Конечно, схемотехника будет проще, но ценой может стать сложность механической сборки изделия, разводки и пайки печатной платы. Посмотрите, насколько сложным стал разъем USB-C по сравнению с USB-A, просто для того, чтобы его было проще использовать и он оставался надежным. Повышенная плотность размещения контактов по обоим рядам требует более высокого качества печатных плат и их количества слоев. Как-то его тоже надо припаять. Все это сделано для того, чтобы пользователь мог вставить вилку в розетку, не глядя.
❯ Последовательное включение диода
Когда речь идет о защите силовых цепей от попадания аномальных напряжений обратной полярности, на ум сразу приходят традиционные полупроводниковые диоды. Тот факт, что диоды проводят электричество в одном направлении, позволяет легко и напрямую блокировать пути тока в неправильном направлении.
Схема на рисунке иллюстрирует наиболее распространенный метод использования диодов для предотвращения переполюсовки. Чтобы было понятнее, в качестве нагрузки я буду использовать светодиод с токоограничивающим резистором.
При выборе диода нужно учитывать, что его средний прямой ток (Average Forward Current) должен быть больше среднего тока потребления защищаемой цепи, и учитывать определенный запас. Если защищаемая цепь потребляет импульсный ток, его необходимо сравнить с повторяющимся импульсным прямым током диода или неповторяющимся пиковым или импульсным (неповторяющимся) прямым током, если импульс тока не является циклическим.
Давайте посмотрим на эту схему в действии, чтобы визуально оценить ее возможности. При «правильном» подключении источника питания диод открывается и ток поступает в нагрузку. При изменении полярности напряжения питания диод закрывается и не дает току течь в обратном направлении через нагрузку. Чтобы диод оставался работоспособным после реверса питания, его максимальное обратное напряжение (обратное напряжение) должно превышать максимально возможное напряжение, подаваемое в схему.
но вам придется заплатить все, что потребуется. Платой за простоту этой схемы являются потери напряжения и мощности на диоде. Я добавил в схему еще один вольтметр. Путем простого расчета мы видим, что при токе нагрузки 10 мА падение напряжения на диоде составляет 0,7 В и мы теряем 7 мВт мощности. Такой маленький ток не страшен. В условиях напряжения питания 12В потеря напряжения на диоде кажется не столь заметной.
Но если условия эксперимента изменятся, результаты схемы могут оказаться не идеальными. Текущая потребность современных устройств (даже мобильных устройств) может быть весьма велика.. из-за использования диодов. Также мы наблюдали устойчивую тенденцию снижения напряжения питания.
Ток потребления на диоде 10 А и мы потеряем 7 Вт. Диод будет очень горячим или радиатор под ним будет довольно большим. При питании от аккумулятора с номинальным напряжением 3,6 В полезная нагрузка получит только 2,9 В, что составляет потерю примерно 20%. В данном случае использование диодов в данном случае явно нецелесообразно.
что делать? Вы можете попробовать выбрать диоды с меньшим прямым падением напряжения (максимальное мгновенное прямое падение напряжения или прямое напряжение на диод). Но вряд ли это принесет пользу. Диод с более высоким рабочим напряжением будет иметь большее прямое падение напряжения. Кроме того, диоды, рассчитанные на большие токи, также имеют большие падения напряжения.
Поэтому, когда энергопотребление в большей степени зависит от напряжения питания, данное решение больше подходит для цепей с напряжением питания выше 5В и низким потреблением тока.
Если добавить в рассматриваемую схему пару конденсаторов, то мы получим еще и отличный фильтр для защиты от провалов напряжения питания. Когда входное напряжение ниже напряжения на конденсаторе C2, диод не сможет разряжаться в силовой цепи, и вся его энергия будет использоваться для поддержания работы цепи.
❯ Параллельное подключение диода
Удивительная история, но такое решение можно найти и в радиолюбительских схемах. На рисунке ниже вы можете видеть, что диод включен встречно-параллельно нагрузке. Это может быть до некоторой степени оправдано в бюджетных схемах с очень низкими напряжениями питания, где падение напряжения на последовательном диоде является непозволительной роскошью. Но я не поддерживаю такой подход, поскольку в ряде случаев его нельзя считать безопасным.
Схема работает по принципу: диод сам включает и выключает питание при изменении полярности. Если источник питания имеет встроенную защиту, он перейдет в состояние защиты и отключит выходное напряжение, если оно будет подано в цепь с неправильной полярностью.
Но без такой защиты... Модель на картинке примерно показывает, как поведет себя литиевый аккумулятор при смене полярности. Обратите внимание, насколько ток увеличивается по сравнению с нормальным. Хотя напряжение источника ЭДС существенно падает, ток с течением времени увеличивается на несколько порядков. Он будет продолжать расти, пока что-нибудь не сгорит. Или диод не выдержит, или проводники аккумулятора сгорят, или еще что…
Чтобы продлить срок службы диода при таких «ударных» нагрузках, параметры диода должны соответствовать характеристикам схемы защиты используемого источника питания. Пиковый или импульсный (неповторяющийся) прямой ток диода должен быть больше, чем ток отключения источника питания при коротком замыкании. Время, в течение которого диод может выдерживать ток короткого замыкания, должно превышать время включения защиты по питанию. Пиковый ток диода обычно выражается в полупериоде питающего напряжения частотой 50 Гц, т.е через 10 миллисекунд. Поэтому получается, что размер диода будет значительно больше, чем если бы диоды были соединены последовательно.
Если вы не можете гарантировать параметры источника питания, используемого в сочетании с вашей схемой, то вы можете использовать предохранитель для ограничения тока через защитный диод. Предел тока предохранителя должен быть больше максимального тока нагрузки. Теперь время воздействия тока короткого замыкания будет зависеть от того, когда перегорит предохранитель, а диод должен за это время «пострадать».
Чтобы смягчить влияние диода, на входе питания можно установить резистор малого номинала. Оно не должно влиять на работу цепи, по этой причине его сопротивление должно быть значительно меньше эквивалентного сопротивления цепи. У этого резистора есть еще одно полезное свойство – он ограничит величину пускового тока в цепи. Обратите внимание в модели, что ввод всего лишь 1 Ома снижает ток короткого замыкания почти на порядок.
Также учтите, что при реверсе питания открытый защитный диод будет включен параллельно нагрузке. Падение напряжения на диоде (максимальное мгновенное прямое напряжение) должно быть ниже, чем общее обратное падение напряжения на схеме, в противном случае на него может повлиять. На картинке я специально добавил еще один светодиод, чтобы показать этот эффект. При изменении полярности предохранитель перегорает через некоторое время. За это время дополнительный светодиод успевает засветиться. В реальных схемах в это время могут сгореть некоторые компоненты, допускающие более низкое обратное напряжение.
❯ Диодный мост
Глядя на схему устройства, питающегося от сети переменного тока 230 В 50 Гц, диодный мост можно встретить практически в каждом устройстве. Учитывая, что напряжение питания меняет полярность каждые 10 мс и что с его выпрямлением успешно справляется диодный мост, возникает соблазн использовать диодный мост в низковольтных цепях постоянного тока для предотвращения переполюсовки.
Если вы решите использовать этот прием, то необходимо учитывать, что при прохождении через диодный мост, независимо от полярности, ток всегда на своем пути встретит два диода последовательно. У нас потери напряжения питания составляют около 1,5 В. В нашей модели при низковольтном питании напряжения после диодного моста едва хватает для питания светодиода.
В условиях питающего напряжения 230 В эти потери составят менее 1%. Кроме того, такие устройства часто содержат модули, преобразующие электрическую энергию. Высокое напряжение источника питания преобразуется в низкое, а напряжение снижается в десятки раз, что подходит для питания микросхем и другого оборудования. При этом ток, потребляемый сетью, также в десятки раз меньше по сравнению с током, протекающим через низковольтную часть цепи. Поэтому мощность, выделяемая на диодном мосте, крайне мала, что никак не влияет на общий КПД.
Если использовать диодный мост для предотвращения переполюсовки постоянного тока при малых напряжениях питания, то необходимо учитывать потери в диодах.
❯ SBR — диоды
Около десяти лет назад компания Diodes предложила решение проблемы переполюсовки в силовых цепях, ориентированное на применение в автомобильной электронике, — выпрямительный диод с «супербарьером» (Super Barrier Rectifier — SBR). Диоды (SBR10M100P5Q на 10 А, 100 В и SBR8M100P5Q на 8 А, 100 В) характеризуются низким прямым падением напряжения до 0,6 В и высоким быстродействием.
Основная проблема диодов Шоттки заключается в том, что обратный ток утечки резко увеличивается с температурой, что ограничивает их использование в выпрямителях. Современная электроника подвержена высоким термическим нагрузкам, что увеличивает риск поломки при переполюсовке. Диоды SBR не имеют этой проблемы.
Toshiba и Philips предлагают аналогичные устройства, и другие производители постепенно следуют их примеру. Вообще говоря, если хорошенько поискать, то можно найти подходящие диоды по вполне разумным ценам даже на Chip and Dip. В пределах применения имеем токи 10–20 А, максимальные напряжения до нескольких сотен вольт и падение напряжения постоянного тока 0,45–0,6 В.
❯ Релейная защита
Давайте ненадолго окунемся в мир силовой электроники и посмотрим, как выглядит ситуация с защитой от переполюсовки. Оказывается, реле вновь обретают свою актуальность, когда напряжение измеряется киловольтами, а ток – сотнями и тысячами ампер.
Не так давно с целью экспериментов была быстро собрана схема непрерывного включения между трехфазным выпрямителем мощностью 100 кВт и источником питания. Учитывая, что у подходящего диода прямое падение напряжения превышает 2,5 В, при токе 400 А диод становится электрическим нагревателем. Что делать, если реле нет? Полевые устройства MOSFET и SiC для этого блока питания появились сравнительно недавно, очень дороги, имеют падение напряжения около 1,5 В и пока не внушают доверия. Компоненты IGBT имеют такое же падение напряжения, как и диоды.
Обратите внимание: LG может стать первой жертвой рынка смартфонов в 2021 году.
Оказывается, использование реле выглядит очень разумно.Рассмотрим более распространенный случай защиты от переполюсовки с помощью реле. Как видно из рисунка, основную функцию защиты здесь по-прежнему выполняют диоды. Функция реле – минимизировать потери в открытом диоде. При изменении полярности диод закрывается, питание на обмотку реле не поступает и контакты реле размыкаются. При питании с правильной полярностью диод открывается и ток поступает на нагрузку, в том числе и на обмотку реле. Через небольшой промежуток времени контакты реле замыкаются, я шунтирую диод и весь ток от нагрузки теперь течет через замкнутые контакты реле с минимальными потерями мощности.
Недостатком этой схемы, помимо ограниченной надежности реле, является то, что при проведении через диод протекает ток полной нагрузки. Поэтому диоды могут быть довольно большими и дорогими. Этот недостаток можно компенсировать небольшой модификацией схемы. Теперь ток через диод течет только в обмотку реле, ток в обмотке может быть значительно меньше тока в нагрузке. Следовательно, диоды можно использовать более компактно.
Недостатком этой схемы по сравнению с первым вариантом является то, что она менее надежна, так как диод не используется для питания нагрузки, весь ток протекает только через контакты реле. Но отказы реле не редкость.
❯ Схема защиты на полевом транзисторе P-типа
В современных электронных схемах силовые полевые транзисторы часто используются в качестве защиты от переполюсовки при низком падении напряжения. Это позволяет минимизировать потери мощности, получаемой от источника питания, и практически полностью исключить обратное течение тока.
Использование MOSFET-транзисторов N-типа, конечно, является предпочтительным. Они дешевле и имеют гораздо меньшее сопротивление канала, что обеспечивает более компактные размеры. Но использовать их следует только тогда, когда нет необходимости подключать защищаемую цепь к общей земле. Это существенно ограничивает сферу применения данной схемы защиты. Поэтому мы рассмотрим работу схемы на транзисторах Р-типа.
Канал МОП-транзистора имеет симметричную структуру, что позволяет ему одинаково хорошо проводить ток в обоих направлениях (от стока к истоку и наоборот). Но из-за наличия обратного диода в структуре МОП-транзистора нет смысла использовать обратно включенный транзистор для режима переключения или усиления, поскольку при закрытии канала через этот диод будет течь обратный ток. Аналогично, в МОП-транзисторе ток не течет между стоком или истоком и затвором. На этих свойствах полевых транзисторов основана простота этой схемы защиты.
Когда во время переходного процесса к цепи подается напряжение питания постоянного тока, ток начинает течь через обратный диод транзистора. Падение напряжения на нем обычно велико. Но этого достаточно, чтобы создать падение напряжения на нагрузке. Поскольку нагрузка подключается между истоком и затвором P-канального полевого транзистора, относительно истока создается отрицательное смещение затвора. При увеличении напряжения питания падение напряжения на нагрузке превысит пороговое напряжение затвора и канал полевого транзистора откроется – падение напряжения на транзисторе будет значительно ниже, просто за счет меньшего сопротивления канала (Rds).
Из рисунка мы видим, что это происходит в момент включения транзистора, когда напряжение на затворе достигает -4В (что соответствует пороговому напряжению затвора). Поэтому следует выбрать транзистор, пороговое напряжение затвора которого (Vgs(th)) ниже напряжения питания схемы.
Если на схему случайно подать напряжение питания обратной полярности, то диод в транзисторе выключится и канал транзистора не сможет открыться. Ток по цепи не течет, а напряжение в цепи почти равно нулю. На рисунке ниже видно, что все напряжение питания будет приложено между стоком и истоком транзистора, поэтому транзистор нужно подобрать такой, чтобы напряжение пробоя между стоком и истоком (Drain-to-Source BreakdownVoltage, В) (br) dss или напряжение сток-исток (Vds), которое с определенным запасом превышает максимальное напряжение питания схемы.
Еще одним ограничением полевых транзисторов, которое также необходимо учитывать, является относительно низкое максимальное напряжение между истоком и затвором (напряжение затвор-исток, Vgs). Обычно не более ±20В, в редких случаях около ±30В. Если напряжение питания больше этого значения, в схему можно добавить резисторный делитель.
Соотношение плеч делителя напряжения должно быть выбрано таким, чтобы при минимальном напряжении питания напряжение между затвором и истоком было выше порогового напряжения затвора, а при максимальном напряжении питания напряжение затвора не должно превышать напряжение пробоя затвора (Vgs).
Если диапазон напряжения питания схемы велик или ожидаются большие пульсации, удобнее ограничить напряжение затвора с помощью стабилитрона, стабильное напряжение которого должно быть выше и ниже порогового напряжения затвора чем его напряжение пробоя.
Наличие в схеме дополнительных делителей напряжения или защитных стабилитронов также приводит к дополнительным потерям мощности, но эта мощность значительно меньше, чем при использовании защитных диодов.
❯ Полевой транзистор N-типа с бустерной накачкой затвора
Основным ограничением при использовании МОП-транзисторов P-типа является относительно высокое пороговое напряжение затвора (Vgs(th)). Поиск подходящих транзисторов для источников низкого напряжения ниже 5 В может оказаться сложной задачей.. или дорогостоящей.
В то же время все больше и больше приложений микроконтроллеров работают при напряжении 3,3 В или даже ниже. В этом случае выключение N-канального транзистора на общем минусе схемы нам не поможет.
Конечно, можно найти транзисторы с пороговым напряжением затвора около одного вольта. Однако максимальное напряжение между стоком и истоком может составлять 12 В или выше. И максимальное энергопотребление будет очень небольшим.
Если напряжение питания слишком низкое и вы хотите минимальное падение напряжения на защитном транзисторе, а отрицательная сторона схемы должна быть подключена к земле, вы можете использовать N-MOSFET и схему накачки для управления его затвором. Схема должна генерировать дополнительное напряжение относительно положительного источника питания, приложенного между затвором и истоком. Напряжение повышения обычно составляет около 10 В.
Как работает схема, можно увидеть на анимации. В первый момент напряжение питания подается в схему накачки напряжения через паразитный диод. Далее схема начинает выдавать повышенное напряжение. Как только это напряжение превышает пороговое напряжение затвора напряжения питания, канал транзистора полностью открывается.
Я бы не стал изобретать схему повышения напряжения в компактном устройстве и никому не рекомендовал бы ее. Кроме того, существуют микросхемы, подходящие для этих целей. В качестве примера приведу MAX16128, который относительно дешев и к тому же имеет дополнительную защиту от перегрузок. Если защита от перегрузки не требуется, один транзистор можно выбросить, оставив в схеме только второй.
Важным преимуществом MAX16128 является его способность работать от напряжения питания 3 В. И обеспечивает функцию защиты в диапазоне напряжений от -36 В до 90 В. В микросхеме использован внешний переключатель, позволяющий самостоятельно выбирать транзистор на необходимый ток.
Другие производители, в том числе Texas Instruments (TI), также выпускают микросхемы, предотвращающие переполюсовку. Например, микросхемы серии TPS2662x позиционируются как электронные предохранители с расширенной защитой от перегрузок, включая защиту от переполюсовки входов и выходов. Микросхема содержит встроенный силовой ключ с рабочим током до 880 мА.
❯ Биполярные транзисторы в качестве защиты от переполюсовки
Конечно, биполярные транзисторы нельзя игнорировать при рассмотрении схем защиты от обратной полярности. Хотя это не самый популярный подход, мы принесем больше вреда, чем пользы. Но в случае низкого напряжения питания и малого потребления тока это может быть вполне подходящим. Давайте сделаем из него тот самый несчастный ультрабюджетный пульт от телевизора…
Использование транзисторов PNP и NPN в чем-то похоже на полевые транзисторы. Транзисторы NPN также должны переключать отрицательную линию питания. Поэтому принцип работы рассмотрим на примере PNP-транзистора.
Попробуем оценить практический эффект этой схемы. Для транзистора BC807-16 коэффициент усиления по току hfe заявлен как от 100 до 250. Это означает, что для включения транзистора достаточно подачи тока базы 0,1 мА, когда для моделирования выбран ток нагрузки 20 мА. Но на самом деле транзистор еще не достиг насыщения, и падение напряжения на нем составляет около 700 мВ. Это мало чем отличается от последовательного подключения диодов.
чтобы вывести транзистор в состояние насыщения, недостаточно даже рассчитать ток базы с учетом минимального значения hfe = 100. Для обеспечения режима насыщения транзистора ток базы должен быть примерно в 10 – 20 раз меньше тока нагрузки. Падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер значительно уменьшится, но теперь будут потери мощности за счет тока базы, которые составят примерно 10%. Но потери напряжения очень малы.
Основным недостатком этой схемы является то, что ее использование очень ограничено с точки зрения максимального обратного напряжения. При переполюсовке все напряжение питания прикладывается между эмиттером и базой транзистора. Для большинства транзисторов максимально допустимое значение этого напряжения очень мало. Например, напряжение BC807 составляет всего 5 В.
Вообще говоря, такое решение подходит только для бюджетных схем с низким напряжением питания, минимальным потреблением тока или менее серьезным энергопотреблением.
❯ Заключение
Не существует универсального решения для защиты схемы от входного напряжения обратной полярности. Все зависит от каждой конкретной ситуации. В этой статье мы рассмотрим десяток схемных решений с различным функционалом. Осталось подвести краткий итог.
Диоды часто используются для защиты цепей от случайного подключения питания с обратной полярностью. При последовательном соединении диоды снижают напряжение питания. При этом требуется дополнительное ограничение тока с помощью предохранителя или низкоомного резистора, а сам диод должен иметь значительный запас по току и габариты. Небольшого обратного напряжения, возникающего на открытом диоде во время изменения полярности, может быть достаточно, чтобы повредить компоненты с низкой устойчивостью к обратному напряжению.
В автомобильной электронике можно использовать специализированные SBR-диоды. Они обеспечивают меньшее падение напряжения и обратный ток утечки при высоких температурах по сравнению с диодами Шоттки.
Для компенсации потерь мощности защитных диодов в силовых цепях можно использовать реле. Но такой подход совершенно неприемлем для микроустройств.
Если напряжение источника питания не превышает 5В и рабочий ток небольшой, для защиты можно использовать маломощный биполярный транзистор.
При напряжениях ниже киловольт можно использовать схемы защиты на полевых транзисторах. Использование P-MOSFET было бы самым простым решением. Использование N-MOSFET немного повысит эффективность схемы, но приведет к ее сложности, либо защищаемую схему придется изолировать от общего потенциала линии.
Если схема питается от батареи или батареи низкого напряжения, но также потребляет большой ток, можно использовать защиту на основе полевого транзистора затворного насоса с использованием ASIC.
Отдельного внимания заслуживают схемы защиты, предотвращающие переполюсовку аккумуляторов, но они выходят за рамки данной статьи. Несмотря на кажущуюся простоту, эта тема довольно широка. Я постараюсь написать об этом в другой раз.
Спасибо за внимание! Если я забыл упомянуть что-то еще по этой теме, смело пишите свое мнение в комментариях.
Написано специально для читателей Timeweb Cloud и Pikabu. Больше интересных статей и новостей смотрите в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.
Если вы хотите стать писателем (или уже знамениты) и хотите поделиться чем-то интересным в нашем блоге, напишите об этом здесь.
Облачный сервис Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать проект автора.
📚 Читайте также:
-
Ремонт телевизоров Дешман;
-
Я найду тебя и позвоню тебе;
-
Отзывы – это все для нас! История онлайн-обзоров.
Больше интересных статей здесь: Гаджеты.
Источник статьи: Защита схемы от переполюсовки, что может быть проще?.