что такое переполюсовка питания
Схемы защиты микроконтроллеров от смены полярности питания
Человеческий фактор, к сожалению, является наиболее частой причиной аварий и катастроф. Забывчивость, рассеянность, невнимательность, расчёт на пресловутые «авось да небось» — вот первопричины того, что многие устройства не доживают свой век до «технической пенсии».
При лабораторных и радиолюбительских экспериментах частой ошибкой является переполюсовка питания, когда положительный и отрицательный провод меняются местами. Защититься от этого не так уж и сложно.
Рис. 1. Схемы защиты от смены полярности питания (начало):
а) индикатор HL1светится разным цветом при нормальной работе (зелёный) и при неверной полярности входного напряжения (красный). Для устранения неисправности требуется ручная перестыковка проводов. При повышении питания с +3 до +5 В следует увеличить сопротивление резистора R1 до 390. 470 Ом;
б) автоматическая коррекция полярности питания без участия человека («автополюсовка»). Специализированная микросхема DAI (фирма Maxim/Dallas) обеспечивает очень низкую разность напряжений между входом и выходом, а именно, 40 мВ при токе 100 мА;
в) схема полуавтоматической коррекции полярности питания. Исходное состояние переключателя SA1 произвольное. Если полярность с первого раза «не угадана», то надо перевести переключатель в другое положение.
Такая методика иногда технически проще, чем перестыковка соединительных проводов. Транзистор VT1 защитный, на нём падает напряжение около 0.1 В. Здесь и далее считается, что внутри стабилизатора имеются конденсаторы фильтра, но на схеме они не показаны;
г) аналогично рисунку (в), но при замене полевого транзистора диодом Шоттки VDL Однако при этом ухудшается экономичность, поскольку на диоде падает достаточно большое напряжение, в среднем 0.2. 0.4 В в зависимости от протекающего тока;
Рис. 2. Схемы защиты от смены полярности питания (окончание):
д) схема «автополюсовки» с диодным мостом VD1. VD4. Применение диодов Шоттки обеспечивает падение напряжения между входом и выходом 0.4. 0.8 В в зависимости от протекающего тока;
е) аналогично Рисунку 2д, но с мостом на обычных диодах VD1. VD4. Эта схема хуже по экономичности, поскольку падение напряжения между входом и выходом составляет 1.4. 1.8 В. Может применяться при отсутствии диодов Шоттки, а также при желании рассеять на диодах «лишнюю» мощность в целях облегчения теплового режима стабилизатора А1.
ж) благодаря диоду VD1, контакты реле K1. I замыкают цепь только в том случае, если будет подана «правильная» полярность питания. Достоинство — очень малое падения напряжения между входом и выходом. Недостаток — дополнительный расход мощности на постоянно включённом реле А7;
з) защита от неверной полярности питания в «плюсовом проводе» при помощи полевого р-канального транзистора VT1. Важную роль играет диод Шоттки, находящий внутри транзистора. Через него (и нагрузку в цепи +3.1 В) в начальный момент времени протекает ток, который открывает транзистор, после чего диод шунтируется открытым переходом «сток — исток».
Замена транзистора VTI — IRLML6402. Достоинство схемы заключается в непосредственной связи общего провода устройства и «минусового» контакта батареи GB1
и) аналогично Рисунку 2з, но с установкой N-канального транзистора VT1 в «минусовом» проводе. Замена транзистора — IRLML2402, IRF7601, BS170. Схема защиты с N-канальным транзистором обычно обеспечивает меньшее падение напряжения, чем схема с р-канальным транзистором. Особенность — отсутствует прямая связь цепи GND и батареи GB1.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.
Защита от переполюсовки.
Чтобы отличить плюс от минуса, надпиливаю один из выводов, но по невнимательности всё равно бывает ошибаюсь и подключаю выводы неправильно. О последствиях переполюсовки рассказывать не буду, расскажу лучше как этого избежать. Но для начала пару слов о том, что такое переполюсовка, обычно у устройства, которое питается постоянным током два вывода, к одному из них подключается положительный вывод источника питания, к другому отрицательный. Но никто не мешает(если, конечно же производитель не позаботилися об этом)подключить их наоборот, такое подключение выводов и называют переполюсовкой.
Самый простой способ защититься от переполюсовки — это включить последовательно диод, тогда при ошибке подключения ток не потечёт.
На схеме видно, что напряжение затвор-исток гораздо ниже порогового, указанного в даташите и можно быть уверенным, что транзистор откроется.
При токе 1А падение напряжения на транзисторе составит 0.05V против 0.4V на диоде Шоттки, что вполне приемлемо.
Но это лишь одна сторона медали, если использовать данную схему при высоких напряжениях, то у неё появляется недостаток — это малое напряжение пробоя затвор — исток, поэтому для применения в высоковольтных цепях схему надо немного усложнить, как показано ниже.
Таким образом, мы с помощью стабилитрона ограничили напряжение затвор — исток, тем самым защитив транзистор, а излишки напряжения упадут на резисторе.
Как оказалось, производители электронных компонентов знают про этот трюк, и выпускают уже готовые сборки, например CSD25201W15, которые состоят из mosfet’a, стабилитрона и резистора.
Как защититься от переполюсовки напряжения питания?
Питающее напряжение обратной полярности представляет угрозу для незащищенных электронных устройств. Такая ситуация может возникать как из-за неверной установки батареек, так и из-за переполюсовки клемм источника питания. Чтобы избежать подобных проблем используют разъемы с ключами, которые не позволяют выполнить неправильное подключение. К сожалению, такое решение не всегда возможно. Часто в силовых схемах применяют винтовые разъемы, кольцевые или ножевые клеммы. В качестве примера можно привести подключение аккумуляторной батареи в автомобиле. При смене аккумулятора вполне реально перепутать клеммы, что приводит к тому, что на вход питания электронных блоков поступает напряжение обратной полярности.
Почему переполюсовка питания становится все более серьезной проблемой?
Несколько десятилетий назад в автомобилях практически отсутствовали электронные блоки, за исключением, пожалуй, радио. Даже приборная панель со спидометром представляла собой электромеханическую систему. Очевидно, что в таких условиях ущерб от обратной полярности при переполюсовке аккумулятора был минимальным. Однако в современных машинах все обстоит совсем иначе. На борту у автомобиля присутствует множество электронных систем и блоков: современные системы содействия водителю ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), резервные камеры, навигационные системы, антиблокировочные системы ABS, системы защиты от заносов, мультимедийные системы, GPS, беспроводная связь и внутренние сети, включая Ethernet. Многие другие приложения за пределами автомобильной отрасли в последнее время также «обросли» электронными устройствами и функциями.
При переполюсовке аккумулятора или при переходных процессах во время коммутации индуктивной нагрузки на линиях питания возникают напряжения обратной полярности, способные приводить к серьезным сбоям и повреждениям электронных систем и блоков. Обратная полярность при неверном включении аккумулятора опасна еще и тем, что аккумулятор в течение некоторого времени способен без проблем выдавать ток до нескольких сотен ампер.
Как проще всего защититься от переполюсовки?
Самым простым способом защиты будет использование обычного диода, включенного последовательно с нагрузкой (рис. 1). Диод позволяет протекать только прямому току и блокирует обратный ток, тем самым защищая от неправильной полярности входного напряжения питания.
Рис. 1. Для защиты от обратного напряжения может быть использован обычный диод. Однако это решение имеет недостатки: дополнительные потери мощности, падение напряжения, значительные размеры (при больших токах)
Каковы недостатки диодной защиты?
При использовании защитного диода разработчик может столкнуться с целым рядом сложностей:
Существуют ли более эффективные решения?
К счастью, производители электронных компонентов предлагают альтернативные решения, которые демонстрируют более высокую эффективность. «Умный диод» – это активное устройство, которое обеспечивает те же функции, что и обычный диод, но не имеет перечисленных выше недостатков. Например, интегральный контроллер LM74610-Q1 от Texas Instruments использует схему накачки заряда для управления внешним силовым транзистором (рис. 2). LM74610-Q1 подключается к линии питания с помощью пары выводов «Anode» и «Cathode».
Рис. 2. Контроллер LM74610-Q1 совместно с силовым транзистором выполняют функцию «идеального диода», обеспечивая высокое быстродействие и минимальные потери. Микросхема LM74610-Q1 предназначена для монтажа на печатные платы потребителей различной мощности.
Как это работает?
Контроллер LM74610 управляет внешним МОП-транзистором, который в свою очередь выполняет коммутацию тока, тем самым имитируя работу диода. При правильной полярности входного напряжения транзистор открывается и пропускает ток. Благодаря низкому сопротивлению открытого канала уровень рассеиваемой мощности оказывается минимальным. Если на вход схемы поступает напряжение обратной полярности, LM74610-Q1 выключает транзистор менее чем за 8 мкс. Высокое быстродействие играет важную роль для защиты от импульсных помех, возникающих при коммутации индуктивной нагрузки. Контроллер способен выдерживать обратное напряжение до 45 В. Этого оказывается достаточно для широкого спектра автомобильных приложений. Большим преимуществом LM74610-Q1 является тот факт, что микросхема отвязана от земли и обеспечивает нулевой ток собственного потребления (Iq).
Где следует размещать схему защиты?
Контроллер LM74610-Q1 выпускается в малогабаритном корпусном исполнении VSSOP-8 размером всего 3×5 мм. В результате, несмотря на наличие внешнего силового транзистора, схема защиты занимает очень мало места на печатной плате. Это позволяет размещать ее в каждом отдельном электронном блоке, вместо того, чтобы делать один общий защитный модуль. Такое решение оказывается более удобным и надежным.
Как сделать защиту от переполюсовки без падения напряжения
Обычно, для защиты от переполюсовки, используют диод. Решение очень простое, но наделено рядом недостатков: если даже использовать диод Шоттки не избежать падения не менее 0,4 В. Также при значительных токах, порядка 10 А, диод начинает греться и без радиатора ему не обойтись, а следовательно размеры прибора увеличатся.
Чтобы избежать этих недостатков, можно использовать более интеллектуальную схему, которую можно использовать как для питания нагрузки, чувствительной к неправильному подключению полярности. Так и для зарядника АКБ.
Понадобится следующие детали
Схема
Схема защиты неимоверно проста и если не брать в учет сигнальные светодиоды, состоит из диода и реле. О работе данной схемы узнаете ниже в конкретном примере использования.
Защита от переполюсовки без падения своими руками
Схема собирается навесным монтажом для наглядности.
В роли силовых шин использован одножильный медный провод.
Использование схемы для нагрузки
Если использовать схему для защиты нагрузки, то источник подключается к левой части схемы, а нагрузка к правой. Если подать питание правильно, то через диод побежит ток на реле и оно переключит контакты, подав напряжение на нагрузку.
О правильной работе будет свидетельствовать свечение зеленого светодиода.
Если подать питание неправильно, то реле не включится, так как ток через диод не потечет. О неправильном подключении будет свидетельствовать красный светодиод.
Использование схемы для зарядника
Если использовать схему защиты для зарядника, то он подключается справа, а аккумулятор слева.
Работа так же проста: даже в полностью разряженном АКБ присутствует напряжение порядка 9 В, которого достаточно для включения реле. И если АКБ подключен к заряднику правильно, реле замкнет контакты. Если же нет, то реле не сработает и будет гореть красный светодиод.
Смотрите видео
Самовосстанавливающаяся защита от переполюсовки за 5 минут
Чтобы защитить свои схемы и ЗУ от губительной переполюсовки, многие включают в схему диод, (проводит электричество в одном направлении), для невозможности течь току в обратном направлении, тем самым исключая нанесения вреда электронным компонентам вашего девайса. Но проблема с этим подходом заключается в том, что данная схема не будет работать, пока вы не измените полярность, что иногда не представляется возможным, (при тестировании).
Чтобы не парится с переполюсовкой, предлагаю простенькую схемку для тестирования и подключения ваших электронных шедевров и АКБ авто. Стоит лишь включить в цепь не большую надстроечку. Вам больше не придется беспокоиться по поводу переполюсовки и поиска адаптера постоянного тока, который в нужный момент где то там…
Эта схема использует выпрямительный мост, который встроен во все адаптеры питания. Просто подключите первый попавшийся блок питания по схеме (не беспокоясь о полярности). Подключайте постоянный либо переменный ток, это совсем не критично для данной схемы, плюс или минус так же не важно.
Единственный недостаток схемы это то, что выпрямительный мост съедает некоторое напряжение, нужно будет учитывать этот факт при тестировании и подключении АКБ,( добавить напряжение на ЗУ), если это для вас критично при тестировании.
Можно использовать готовый мост, соответствующий вашим запросам.