Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод

Добавлено 1 ноября 2018 в 16:44

Подключение питание с неправильной полярностью – эту ошибку совершить легко. К счастью, защита вашего устройства от обратной полярности также довольно проста.

Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод
Защита от обратной полярности: как защитить ваши схемы, используя только диод

Когда вы меняете полярность питания вашего устройства, могут произойти плохие вещи. Обмен местами положительного и отрицательного выводов питания, вероятно, является основным способом «пускания дыма» от новой блестящей печатной платы, и это на самом деле лучший сценарий, чем нанесение какого-то незначительного урона, который приводит к недоумению и непредсказуемым сбоям. Обратная полярность также может возникать после фазы тестирования и разработки. Устройство, как правило, разработано так, чтобы предотвращать неправильное подключение кабеля конечным пользователем, но даже самые лучшие из нас могут иногда вставлять аккумулятор, не глядя на полярность...

Я предпочитаю использовать все доступные средства, чтобы сделать обратную полярность физически невозможной, но суть в том, что устройство никогда не является действительно безопасным, если сама схема не сможет выдержать напряжение питания обратной полярности. В данной статье мы рассмотрим два простых, но очень эффективных способа сделать вашу схему надежной против ошибок изменения полярности питания.

Что такое диодная защита от обратной полярности?

На самом деле вы можете получить защиту от обратной полярности с помощью одного лишь диода. Да, всё, что вам нужно, это один диод. Это действительно работает, но, конечно, более сложное решение может обеспечить лучшую эффективность.

Идея здесь состоит в том, чтобы поставить в линию питания последовательно диод.

Защита от обратной полярности с помощью диода
Защита от обратной полярности с помощью диода

Если вы не знакомы с этим методом, он может показаться немного странным. Может ли диод изменить полярность приложенного напряжения? Может ли он действительно «изолировать» схему, расположенную ниже, от приложенного напряжения?

Он, конечно, не сможет «отменить» обратную полярность, но он может изолировать остальную часть схемы от этого условия просто потому, что он не будет проводить ток, когда напряжение катода выше напряжения анода. Таким образом, в случае обратной полярности наносящие повреждения обратные токи не смогут протекать, и напряжение на нагрузке не будет таким же, как обратное напряжение источника питания, потому что диод работает подобно разрыву в цепи.

Схема LTspice, показанная выше, позволяет нам исследовать переходное и установившееся поведение схемы защиты на основе диода. Первоначально напряжение составляет 0В, затем оно резко изменяется до –3В. Моя идея здесь заключается в том, чтобы имитировать эффект неправильной установки двух аккумуляторов 1,5В (или одной батареи 3В). Моделирование включает в себя сопротивление нагрузке (соответствующее схеме, которая потребляет около 3 мА) и емкость нагрузки (соответствующая блокировочным конденсаторам у нескольких микросхем).

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода
Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода

Вы можете видеть, что через диод протекает некоторый обратный ток (т.е. от катода к аноду). Переходной ток очень мал, а ток в установившемся состоянии незначителен. Однако ток течет, и, следовательно, диод со стороны катода не совсем «оторван» от цепи питания; вместо этого в цепи нагрузки имеется очень малое обратное напряжение. Однако это не является установившимся состоянием. Если мы продолжим моделирование до 300 мс, мы увидим следующее:

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода (продолжительность 300 мс)
Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода (продолжительность 300 мс)

Так как емкость нагрузки заряжается и становится разрывом в цепи, ток падает до нуля (точнее, до 0,001 фемтоампера, в соответствии с LTspice), и, следовательно, на нагрузке нет никакого обратного напряжения. Вывод здесь заключается в том, что диод не идеален, но, насколько мне известно, его достаточно, потому что я не могу себе представить, что на какую-то реальную схему могут негативно повлиять ~100 мс напряжения обратной полярности в несколько микровольт.

Достоинства и недостатки

К текущему моменту достоинства этой схемы должны быть очевидны: она дешева, чрезвычайно проста и эффективна. Однако есть определенные недостатки, которые необходимо учитывать:

  • Во время нормальной работы на диоде падает ~0,6В. Это может быть значительной частью напряжения питания, а при уменьшении напряжения батареи устройство может перестать работать раньше срока.
  • Любой компонент, который вызывает на себе падение напряжения и ток, протекающий через него, потребляет энергию. Если эта рассеиваемая энергия исходит от батареи, диод сокращает время автономной работы. Это не может быть приемлемым компромиссом в устройствах, которые имеют очень низкий риск возникновения обратной полярности.

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Простым способом смягчения обоих указанных недостатков является использование диода Шоттки вместо обычного диода. Этот подход уменьшает потери напряжения и рассеивание мощности. Я не уверен, как могут вести себя маломощные диоды Шоттки, но в некоторых случаях прямое напряжение может быть ниже 300 мВ.

Вот новая схема моделирования:

Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки
Защита от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Следующие спецификации дают нам пример характеристик диода BAT54 при прямом напряжении:

Характеристики диода BAT54 при прямом напряжении
Характеристики диода BAT54 при прямом напряжении

Ниже показан график переходного и установившегося отклика схемы защиты от обратной полярности на основе диода Шоттки.

Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода Шоттки
Результаты моделирования схемы защиты от обратной полярности с помощью диода Шоттки

Вы можете видеть, что обратный ток и обратное напряжение на нагрузке намного больше, чем те, что мы наблюдали с обычным диодом. Этот более высокий обратный ток утечки является известным недостатком диодов Шоттки, хотя в этом конкретном применении обратный ток по-прежнему намного ниже, чем что-либо, что может вызывать серьезную озабоченность. Поэтому, когда дело доходит до защиты от обратной полярности, диоды Шоттки определенно предпочтительны.

Заключение

Мы видели, что один диод представляет собой удивительно эффективный способ включения в схему электропитания устройства защиты от обратной полярности. Диоды Шоттки имеют более низкое прямое напряжение и, следовательно, обычно лучше подходят, чем обычные диоды. Те, кто имел опыт с этими схемами, рекомендуют 1N4001 (если вы по какой-либо причине хотите использовать обычный диод) или MBRA130 (это диод Шоттки).


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке