Содержание
n-канальный MOSFET + стабилитрон на 7.2...15V + резистор в пару десятков килоом = БЕЗОПАСНОСТЬ
[Read in English]Задачка-то, вроде, тривиальная. Да и зачем кому-либо вообще может понадобиться защищать какие-бы то ни было электронные изделия от переполюсовки источника питания?
Увы, у коварного случая найдётся тысяча и один способ подсунуть вместо плюса минус на устройство, которое ты много дней собирал и отлаживал, и оно вот только что заработало.
Приведу лишь несколько примеров потенциальных убийц электронных макеток, да и готовых изделий тоже:
- Универсальные источники питания с их универсальными штеккерами, которые можно подключить как с плюсом на внутреннем контакте, так и с минусом.
- Маленькие блоки питания (такие коробочки на сетевой вилке) - они ведь все выпускаются с плюсом на центральном контакте, разве нет? НЕТ!
- Любой тип разъёма для подачи питания без жёсткого механического "ключа". К примеру удобные и дешёвые компьютерные "джамперы" с шагом 2.54мм. Или зажимы "под винт".
- Как вам такой сценарий: позавчера под рукой были только чёрные и синие провода. Сегодня был уверен, что "минус" - это синий провод. Чпок - вот и ошибочка. Сначала-то хотел использовать чёрный и красный.
- Да просто если уж день на задался - перепутать пару проводов, или воткнуть их наоборот просто потому, что плату держал кверхтормашками...
Всегда найдутся человеки (я знаком как минимум с двумя такими перцами), которые глядя прямо в глаза заявят жёстко и безапелляционно, что уж они то никогда не совершат такой глупости, как переполюсовка источника питания! Бог им судья. Может, после того, как сами соберут и отладят несколько оригинальных конструкций собственной разработки - поумнеют. А пока я спорить не буду. Просто расскажу, что использую сам.
Истории из жизни
Я ещё совсем молоденький был, когда пришлось мне перепаивать 25 корпусов из 27. Хорошо ещё это были старые добрые DIP микросхемы.
С тех самых пор я почти всегда ставлю защитный диодик рядом с разъёмом питания.
Кстати, тема защиты от неверной полярности питания актуальна не только на этапе макетирования.
Совсем недавно мне довелось стать свидетелем героических усилий, предпринимаемых моим другом по восстановлению гигантского лазерного резака. Причиной поломки был горе-техник, перепутавший провода питания сенсора/стабилизатора вертикального перемещения режущей головки. На удивление сама схемка, похоже, выжила (была-таки защищена диодом в параллель). Зато выгорело всё напрочь после: усилители, какая-то логика, контроль сервоприводов...
Защитный диод последовательно с нагрузкой
Это, пожалуй, самый простой и безопасный вариант защиты нагрузки от переполюсовки источника питания.
Одно только плохо: падение напряжения на диоде. В зависимости от того, какой диод применён, на нём может падать от примерно 0.2В (Шоттки) и до 0.7...1В - на обычных выпрямительных диодах с p-n переходом. Такие потери могут оказаться неприемлимыми в случае батарейного питания или стабилизированного источника питания. Так же, при относительно большых токах потребления, потери мощности на диоде могут быть весьма нежелательными.
Защитный диод параллельно с нагрузкой
При таком варианте защиты нету никаких потерь в нормальном режиме работы.
К сожалению, в случае переполюсовки источник питания рискует надорваться. А если источник питания окажется слишком силён - выгорит сначала диод, а за ним и вся защищаемая им схема.
В своей практике я иногда использовал такой вариант защиты от переполюсовки, особенно когда был уверен, что источник питания имеет защиту от перегрузки по току. Тем не менее однажды я заработал весьма чёткие отпечатки на обожженых пальцах коснувшись радиатора стабилизатора напряжения, который пытался бороться супротив толстенного диода Шоттки.
p-channel MOSFET - удачное, но дорогое решение
Это относительно простое решение практически лишено недостатков: ничтожное падение напряжения/мощности на проходном устройстве в нормальном режиме работы, и отсутствие тока в случае переполюсовки.
Единственная проблема: где добыть качественные недорогие мощные p-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором? Если знаете - буду благодарен за информацию 😉
При прочих равных p-канальный MOSFET по какому-либо параметру всегда будет примерно в три раза хуже своих n-канальных собратьев. Обычно же хуже одновременно и цена, и что-либо на выбор: сопротивление открытого канала, максимальный ток, входная ёмкость и т.п. Объясняют такое явление примерно втрое меньшей подвижностью дырок, нежели электронов.
n-channel MOSFET - наилучшая защита
Раздобыть мощный низковольтный n-канальный КМОП транзистор в наши дни совсем несложно, ими порою можно разжиться даже совсем забесплатно (об этом - позже;). Так что обеспечить пренебрежимо малое падение на открытом канале для любых вообразимых токов нагрузки - пустяк.
- N-канальный MOSFET + стабилитрон на 7.2...15V + резистор в пару десятков килоом = БЕЗОПАСНОСТЬ
Так же, как и в схеме с p-канальным MOSFET, при ошибочном подключении источника - и нагрузка и незадачливый источник вне опасности.
Единственный "недостаток", который дотошный читатель может углядеть в данной схеме защиты - это то, что защита включена в т.н. "земляной" провод.
Это действительно может быть неудобно, если строится большая система с земляной "звездой". Но в таком случае надо просто предусматривать эту же защиту в непосредственной близости от подвода питания. Если же и такой вариант не подходит - наверняка найдутся способы такую непростую систему либо обеспечить уникальными разъёмами питания с надёжными механическими ключами, либо развести "постоянку", или хотя бы "землю" без разъёмов.
Осторожно: статическое электричество!
Мы все много раз были предупреждены о том, что полевые транзисторы боятся статических разрядов. Это правда. Обычно затвор выдерживает 15...20 Вольт. Немного выше - и необратимое разрушение изолятора неизбежно. При этом бывают случаи, когда полевик вроде ещё работает, но параметры хуже, и прибор может отказать в любой момент.
К счастью (и к великому сожалению) мощные полевые транзисторы обладают большими емкостями затвор - остальной кристалл: от сотен пикофарад, до нескольких нанофарад и больше. Посему разряд человеческого тела часто выдерживают без проблем - ёмкость достаточно велика, чтобы стёкший заряд не вызвал опасного повышения напряжения. Так что при работе с мощными полевиками часто бывает достаточно соблюдать минимальную осторожность в смысле электростатики и всё будет хорошо 🙂
Я не одинок
То, что я описываю здесь, без сомнения, хорошо известная практика. Вот только если бы те разработчики военпрома имели привычку публиковать свои схемные решения в блогах...
Вот что мне попалось на просторах Сети:
> > I believe it is pretty well standard practice to use an N-channel
> > MOSFET in the return lead of military power supplies (28V input).
> > Drain to supply negative, source to the negative of the PSU and
> > the gate driven by a protected derivative of the positive supply.
Где добыть MOSFET-ы практически даром
загляните ко мне чуть позже - будет статейка 😉
Примеры применения
Простенький генератор меандра 100 КГц с защитой от переполюсовки питания:
Генераторы пилы и синусоиды 1600 Гц, сидящие на одной плате, тоже защищены:
Удачных эксперементов!
Вам было интересно? Напишите мне!
Друзья мои, собратья по интересам! Пишу и буду развивать этот блог - идей море и опыта уже накоплено предостаточно - есть чем поделиться. Времени как всегда мало. Что было бы интересно лично Вам?
Спрашивайте, предлагайте: в комментариях, или в личку. Спасибо!
Всего Вам доброго!
- Сергей Патрушин.
PS. Мне будет приятно, если вы поделитесь этой заметкой со своими друзьями в соц-сетях. Для этого достаточно кликнуть на соответствующую иконку:
Здравствуйте Сергей!
Спасибо за статью. Для защиты зарядного устройства хочу попробывать схему на p-канальном MOSFETе. Набросок есть, но в источнике не указаны номиналы элементов. Не могли бы вы помочь новичку разобраться? Вашей е-почты не знаю, если будет минута времени, черкните чего на мою, а я сброшу саму схему. Заранее благодарен.
С уважением, Владимир.
Владимир, спасибо, что заглянули! И спасибо за доверие 🙂
Ответил письмом.
Pingback:
Pingback:
Pingback:
Здраствуйте! Спасибо за статью, у самого в голове созревала подобная идея по защите, однако тревожил вопрос по демпферному диоду в составе транзистора — при переполюсовке он оказывается открыт и ток течет через устройство. Кстати, на Ваших схемах он указан в обратном направлении — д.б. от истока к стоку для N-канала. Как быть с этим моментом? Вы тестировали эти схемы на срабатывание? Спасибо!
Извините, разобрался — на схеме все правильно, с толку сбивает «необычное» включение mocfet’а истоком к нагрузке — благодаря этому диод открыт в «нужном» направлении. Вопрос снимаю, схему внедряю в защиту своего устройства с батарейным питанием 3,3…2 В. Думается, транзистор серии IRL даже при 2В откроется достаточно, будем проверять…
Руслан, рад, что заглянули, и очень хорошо, что разобрались — значит теперь схемка ВАША и статья была написана незря 😉
Чтобы проверить на низком напряжении — я бы подал на затвор минимально возможное напряжение питания и просто мультиметром замерил сопротивление канала. Тут же всё станет понятно — годится данный транзистор или нет.
Pingback:
Спасибо за статью!
В батарейных устройствах применяю схему с p-канальным транзистором (IRLML6401)
Я конечно извиняюсь, но немогу понять как работает ваша защита (с N-канальным MOSFET).В случае правильной полярности — ток бежит через обратный диод транзистора, в случае неправильной — через открытый канал транзистора. Где защита то?)
ДДВ, эта схемка — отличная гимнастика для думалки электронщика 😉
В случае правильной полярности ток лишь в самом начале течёт через структурный диод полевика, а как только напряжение на нагрузке достигает порогового напряжения данного полевого транзистора — тот открывается и падение на нём становится минимальным.
В случае неверной полярности БП транзистор остаётся закрытым. 😐
Благодарен за вопрос! Перечитал статью и обнаружил пару ляпов. Вычистил.
Я кстати тоже посмотрел повнимательнее и понял, что при обратной полярности источника, транзистор закрыт))..Спасибо. Кстати хочу отметить, что стабилитрон там очень кстати. Я сегодня припаял затвор прямо на +питания и спалил пару полевиков (всё дело в лени). Сначала не понимал почему они горят, ведь напряжение питания у меня было всего 12 В. Потом посмотрел осцилограмму и увидел, что моя нагрузка индуктивная и при работе на ней выделяются всплески до 25В , а затвор терпит только 20((…Так что стабилитрон там очень нужен. Да и напряжение питания источника у многих может быть более 20В.
Рад, что пригодилось 🙂
Удачи!
мне кажется, что стабилитрон лучше поставить между стоком и затвором, а вы как думаете?
Если нагрузка одна, то с вашей схемой всё хорошо будет работать.
Но если например предположить что к источнику питания была подключена какая-то индуктивная нагрузка, и тут мы ещё подключаем параллельно какое-то устройство с этой защитой, да ещё провода перепутали — тогда наш mosfet закроется, и поскольку стабилитрон на той его стороне, он не спасёт его от всплеска напруги произведённого той параллельной нагрузкой.
А если бы стабилитрон был между стоком и затвором, то спас бы, ну и защищать от нашей нагрузки в этом случае он тоже не перестанет, как мне кажется — ведь когда мы провода не перепутали(транзистор открыт!) всплески напруги от нашей нагрузки тоже будут гаситься стабилитроном.
не знаю, правильно ли я думаю?
и в таком случае уже нужно двуханодный стабилитрон использовать как мне кажется, ну или супрессор двухсторонний. чтобы транзистор хорошо закрылся, ведь с обычным стабилитроном при переплюсовке он окажется включенным в прямом направлении и падение напруги на нём будет ≈0.6В этого может нехватить для полного закрытия транзистора.
Схемки — головоломки: эта, и ещё защита от перевёртыша аккумулятора 😉
На полевики нормируется напряжение пробоя затвора между истоком и затвором — его и необходимо ограничить, стабилитроном в нашем случае. Напряжение исток-сток может быть намного больше допустимого исток-затвор, так что в общем случае я бы не стал и путаться и пытаться защищать затвор относительно стока.
Про индуктивные нагрузки — если честно, то я не увидел проблемы. В этом мире ничего идеального нет, схемка эта — не исключение, но спасла уже немало устройств прямо такая, как есть… Будет настроение — нарисуйте, пожалуйста?
На днях поставлю я пожалуй на сайт плагин, дающий возможность постить картинки прямо в комментариях.
да, точно головоломки, этим и интересны)
хорошо, нарисую.
Верхний рисунок — ваша схема при переплюсовке, транзистор закрыт, и если при этом источник питания даст импульс высокого напряжения то от него не будет защиты, хотя если затвор-сток выдерживает больше чем затвор-исток может и ничего не будет, но всё же.
Нижний рисунок — я так думаю сделать лучше
Гриша, у полевиков «нежным» является напряжение затвор-исток, посмотрите любой datasheet. В то же время допустимое напряжение сток-исток может доходить до многих сотен вольт. Соответственно какой смысл ограничивать напряжение затвор-сток?
Тем не менее Ваш вариант всё же будет защищать и транзистор и нагрузку… но лишь до тех пор, пока неправильно подключенный ИП не выдаст напряжение больше Uстаб.+Uпороговое 😉
Улавливаете? Такая схема оказывается полностью негодной к примеру для ИП в 48В.
Точно, я вроде Вас понял), при переплюсовке на моей схеме, транзистор сначала закрыт, затвор-сток=Uстаб, а всё остальное будет падать на резисторе(а значит и между затвором и истоком) и когда Uпитания увеличится так, что на этом резисторе напруга будет больше Uпорог транзистор откроется.
Сейчас увидел, что на вашей схеме, даже при переплюсовке напряжение между затвором и стоком не поднимется выше 0.7+Uстаб.транзистора)
Спасибо Вам за ответы.
Уже почти два дня штудирую Ваш блог, но пока так и не нашел статейки: «ГДЕ ДОБЫТЬ MOSFET-Ы ПРАКТИЧЕСКИ ДАРОМ».
Может я как то не так смотрю?
Если такая статья есть на блоге, ткните меня носом, пожалуйста.
Такая информация мне (да наверно и не только мне) очень бы пригодилась.
Да, Вы правы, так я её и не опубликовал, а надо бы, чтобы с картинками, пояснениями и мерами предосторожности. В кратце ответ прост: выпаиваются из ненужных (старых или битых) компьютерных материнок и, нередко, БП. Для применений, подобных описанному в статье выше — в подавляющем большинстве случаев мощные полевики из всевозможных импульсных преобразователей напряжения подходят в самый раз.
Ну да, я примерно так и понял. Просто подумал, вдруг имеются еще какие либо каналы. Или посоветуете где это (материнки, преобразователи) можно найти.
Живу в глуши, даже не в городе, негде особо брать старые материнки и импульсные преобразователи.
Если статью все-таки опубликуете, киньте ссылку здесь, в комментарии. С картинками, пояснениями и мерами предосторожности, очень пригодится.
Заранее спасибо.
Защитный диод параллельно с нагрузкой + предохранитель на входе схемы. Сохраним и источник, и диод, если в источнике нет защиты от перегрузки.
Марк, согласен… за исключеним случаев применения весьма маломощных источников: ну какой предохранитель предложите Вы использовать например при питании от батарейки «крона»?
Впрочем и при больших токах «бабах» даже в предохранителе — не всегда благо (историю про выгоревший лазерный резак я упоминал в статье). Вы же знаете, что предохранитель, как бы правильно он ни был рассчитан — всегда выгорает последним 😉
А как организовать автоматическую переплюсовку источников питания переменного тока что бы не бодались, не подкажете? Ну есть вот такая проблема, в какой-то момент на одном, питающимся от другого происходит переплюсовка…
Роман, подобную задачку, например, решают в бустерах DCC (в цифровых железнодорожных модельках). Бустер DCC — это мощный мост на несколько ампер, выдающий модулированное напряжение в районе 16В (для H0), 8КГц. Там коротыши это штатная ситуация, а если на пути выстроено, к примеру, разворотное кольцо — то автоматическая переполюсовка одного из бустеров, или кусочка трэка, решает проблему. За коротышом/перегрузкой следит схемка (или МК) и прежде чем вырубить по защите — пытается сменить полярность. Естественно алгоритм и задержки надо подстраивать по ситуации.
По поводу пробоя статикой.
Обычно MOSFET тихо (громко) сгорает в БП и все дела, с ними не разбираешься. А тут надо было поставить ключ в низковольтовую цепь с кране слабым током (банальный аналоговый ключ). Собрал схему …. работает. На очередном «вираже» схема начинает глючить — ключ на MOSFET почему-то оказывается замкнут. Ну что за ерунда, меняю транзистор. Через некоторое время получаю схожий дефект. При этом ведется отладка этого и других участков схемы, поэтому есть и помехи и тыканье паяльником (нормальным) и осциллографом. Выпаиваю транзистор и начинаю тихо шизеть — у него напряжение открывания стало около 0. Небольшой нагрев и он может открыться _при_0_.
Понятное дело, что в обычном БП данный ключ давно бы сгорел, но здесь ток мизерный и физического уничтожения не последовало.
Так что — статика гораздо неприятнее, чем описано в статье.
Сергей, здравствуйте!
Помогите, пожалуйста, подобрать диод для параллельного подключения с нагрузкой. Нагрузка питается от свинцово-кислотного аккумулятора 6В (6,25В), ток предположительно 2А. Нагрузка — фонарик на cree диодах. Уже фонарик один сжёг случайной переполюсовкой, хотя вроде и тестер был в руках и голова на плечах. Сейчас думаю, что больше не переполюсую, но вдруг))
Так вот, какой диод мне для этого использовать? А то я в общем и целом что-то понимаю, но конкретно в элементной базе ничего.
Заранее спасибо!
Игорь, при параллельном подключении диода с нагрузкой и свинцово-кислотном аккумуляторе в качестве источника… у Вас там предохранитель есть в схеме? Иначе бахнет так, что мама не горюй! 🙂
Диод в данном случае подойдёт любой, на ток хотя бы в пару раз выше, нежели предохранитель, а лучше больше.
Может всё же соберётесь с духом и впаяете полевичок, стабилитрончик и резистор? Это совсем несложно. Для Вашего конкретного приложения схема на N-канальном полевике просто то, что доктор прописал! И полевики приличные можно насшибать, напримар, со старых материнских десктопных плат, или купить в конце концов — не так дорого это добро и стоит (пару баксов штука)
Да, всё же стоит брать так называемые «логические» полевики, чтобы открывались на полную при 6 Вольтах. Те самые с материнок — как раз подойдут.
Ну вот я как раз хотел использовать, как самый простой, и весьма эффективный, вариант с параллельным диодом и предохранителем. Померяю ток в начале разряда аккумулятора и в конце (на всякий случай), и подберу предохранитель (наверное, как раз 2А).
Ну, хотя, если мне материнка после праздников на работе на глаза попадется, то потормошу ее.
А то действительно, у аккумулятора максимальный мгновенный ток отдачи по мануалу 100А, поэтому полыхнет и не заметишь, если переполюсовать (прошлый фонарик погиб за секунду).
У меня сгорели полевики в самодельном индукционном нагревателе, поленился поставить супрессоры, думал так пойдёт, ан нет, видимо скачок напряжения произошёл, хотя АКБ на 12 в. Так что надо ставить между затвором и истоком резистор 10ком и стабилитрон 12-15в. Правильно я думаю?
Фёдор, приветствую!
Для обоснованного ответа лично мне не хватает данных из Вашего комментария. Пожалуйста, выложите схемку — тогда и обсудим!
По-любому защищать затворы МДП транзисторов надо обязательно. Но они могут всё же выгорать и от токовых перегрузок.
Сергей, схему не могу дать по тех. причинам, но я её взял на сайте у АКА КАСЬЯН, у него этого добра навалом.
Фёдор, пусть их, схемы эти, нам того, чего «навалом» — тут действительно не надо 😉
Первое, что попалось — электрошокер этого автора. Преобразователь там был безграмотный — в нём затворы должно прошивать регулярно, если вообще не при первом же включении. Дальше копаться не стал, уж простите.
Вам для продолжения экспериментов могу посоветовать, чтобы не жечь полевики пачками, хотя бы поставить двусторонние стабилитроны (или парочку включенных встречно-последовательно), вольт на 15 — между истоком и затвором каждого транзистора.
Вот теперь всё понятно, спасибо. Привезут мосфеты поэкспериментирую, о результатах отпишусь. Пока.
Здравствуй,Сергей! Попытался повторить защиту зарядного(см.фото)-не хочет!Проверил монтаж и детали-норм. ,шунт 0,1 ,VT2,3 пробовал A733-C1815Y,502-503,315-361;на последней паре лампа(40+45паралельно)загорелась ,но не срабатавает превышение тока. VT1-60N03L.
Помоги пожалуйста,в чём дело? не могу сообразить-теории нет.мой Skype – vladimir72511
Попытался повторить защиту зарядного(см.фото)
Владимир, приветствую!
Схемка вполне адекватная, защищает только от перегрузки по току, порог срабатывания около 6 ампер. Если горят лампочки суммарной мощностью 85 ватт — скорее всего что-то не верно, либо полевик битый, т.к. 85 ватт при 12 вольтах — это уже 7 ампер, по идее должно отключать, особенно в момент включения, пока спирали не нагрелись и ток ещё выше.
В скайп «постучался» — добавляйте, мой ник «patrushin». Обсудим голосом — так действительно на много быстрее получится.
Добрый вечер. Подскажите какой номинал диода Шоттки вольт и ампер, нужно поставить (последовательно) в разрыв плюса для защиты от переполюсовки на выходе, по первой схеме «Защитный диод последовательно с нагрузкой.» Устройство это выдает макс. 5Ампер и 22Вольта, регулируемый блок питания.
Приветствую, Kamely!
Им несть числа. Выбирайте, чтобы падение напряжения поменьше было, средний выпрямленный ток хорошо раза в два побольше взять, ну и напряжение как минимум с запасом в полтора, а можно и больше.
Из того, что попалось навскидку: SBR1040CT, MBR1045, STPS10L40CT…
Сортировал по цене 🙂
Если нужен один-два, то наверняка удастся выковырять что-нибудь подходящее из ненужного компьютерного БП.
А такой MUR1620CT 200V 16А будет лучше? Какой из двух лучше взять. чтобы меньше грелся MBR1045 45V 10A или MUR1620CT 200V 16А? Спасибо.
Kamely, в данном случае чем больше прямое падение напряжения — тем больше нагрев.
Смотрим datasheet’ы:
MUR1620CT — 0.975V при токе 8А
MBR1045 — 0.72V при токе 20А
Хорошо ещё с графиками свериться, на предполагаемом рабочем токе MBR1045 так же выигрывает с серьёзным опережением.
Я диодный мост тупо ставлю. Благо они сейчас недорогие. И тогда можно подключать от балды как угодно.