Обратный ток в электрических цепях: причины, риски и способы защиты

Что такое обратный ток в электрических цепях. Какие риски связаны с обратным током. Какие существуют способы защиты от обратного тока. Каковы преимущества и недостатки различных методов защиты от обратного тока. Как выбрать оптимальный метод защиты для конкретного применения.

Что такое обратный ток и почему он опасен

Обратный ток возникает, когда электрический ток течет в направлении, противоположном нормальному направлению в цепи. Это может произойти по нескольким причинам:

• Неправильное подключение источника питания (например, подключение батареи в обратной полярности)
• Короткое замыкание в цепи
• Неисправность компонентов
• Индуктивные выбросы при отключении нагрузки

Обратный ток представляет серьезную опасность для электронных устройств и компонентов. Он может привести к:

• Перегреву и выходу из строя полупроводниковых компонентов
• Повреждению внутренних цепей микросхем
• Разрушению изоляции проводников
• Возгоранию устройства
• Взрыву батарей или конденсаторов

Поэтому защита от обратного тока критически важна для обеспечения надежности и безопасности электронных устройств.

Основные методы защиты от обратного тока

Существует несколько основных способов предотвратить протекание обратного тока в электрических цепях:

1. Использование диодов

Диоды пропускают ток только в одном направлении, блокируя обратный ток. Это самый простой и дешевый способ защиты. Наиболее часто применяются:

• Обычные кремниевые диоды — недорогие, но имеют большое падение напряжения (0.6-0.7 В)
• Диоды Шоттки — меньшее падение напряжения (0.2-0.4 В), но более дорогие

2. Применение полевых транзисторов (MOSFET)

MOSFET транзисторы могут выполнять роль «идеального диода» с очень малым падением напряжения. Преимущества:

• Очень низкое сопротивление в открытом состоянии
• Возможность коммутации больших токов
• Высокое быстродействие

3. Специализированные микросхемы защиты

Интегральные микросхемы защиты от обратного тока обеспечивают комплексную защиту и дополнительные функции:

• Защита от перенапряжения
• Ограничение тока
• Тепловая защита
• Индикация состояния

Сравнение методов защиты от обратного тока

Каждый метод защиты от обратного тока имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их подробнее:

Диодная защита

Преимущества:

• Простота реализации
• Низкая стоимость
• Не требует управления

Недостатки:

• Значительное падение напряжения
• Потери мощности на диоде
• Ограниченный максимальный ток

Защита на MOSFET транзисторах

Преимущества:

• Очень малое падение напряжения
• Возможность коммутации больших токов
• Высокое быстродействие

Недостатки:

• Необходимость схемы управления затвором
• Более высокая стоимость
• Чувствительность к статическому электричеству

Специализированные микросхемы защиты

Преимущества:

• Комплексная защита
• Дополнительные функции (ограничение тока, тепловая защита)
• Простота применения

Недостатки:

• Высокая стоимость
• Ограниченный выбор параметров
• Возможная избыточность функций для простых применений

Выбор оптимального метода защиты от обратного тока

При выборе способа защиты от обратного тока следует учитывать несколько факторов:

Рабочий ток цепи

Для малых токов (до 1А) вполне подойдет диодная защита. Для больших токов (более 10А) оптимальным выбором будут MOSFET транзисторы или специализированные микросхемы.

Допустимое падение напряжения

Если критично сохранение напряжения питания (например, в устройствах с батарейным питанием), лучше использовать MOSFET или микросхемы с малым падением напряжения.

Требования к быстродействию

Для защиты от кратковременных выбросов напряжения требуется высокое быстродействие, которое могут обеспечить MOSFET транзисторы или специализированные микросхемы.

Сложность реализации

Для простых устройств оптимальна диодная защита. В сложных системах с несколькими цепями питания удобнее применять готовые микросхемы защиты.

Стоимость

Диодная защита наиболее экономична для массового производства. MOSFET и специализированные микросхемы оправданы в дорогостоящем оборудовании.

Практические схемы защиты от обратного тока

Рассмотрим несколько практических схем защиты от обратного тока для различных применений:

Защита маломощных устройств

Для защиты маломощных устройств с током потребления до 1А можно использовать простую диодную схему:

• Диод Шоттки 1N5817 в последовательном включении
• Падение напряжения около 0.3В
• Максимальный ток 1А

Защита силовых цепей

Для защиты силовых цепей с током до 20А подойдет схема на MOSFET транзисторе:

• N-канальный MOSFET IRFZ44N
• Сопротивление открытого канала 17.5 мОм
• Максимальный ток 49А
• Управление затвором через делитель напряжения

Комплексная защита с ограничением тока

Для комплексной защиты с функцией ограничения тока можно применить специализированную микросхему:

• Микросхема LTC4365 от Linear Technology
• Защита от обратного тока, перенапряжения и перегрузки по току
• Диапазон входных напряжений 2.5В — 34В
• Максимальный ток 5А (с внешним MOSFET)

Особенности защиты от обратного тока в различных устройствах

Требования к защите от обратного тока могут существенно различаться в зависимости от типа устройства:

Защита в портативных устройствах

Для портативных устройств с батарейным питанием критически важно минимизировать потери на элементах защиты. Здесь оптимально использовать:

• MOSFET транзисторы с очень низким сопротивлением канала
• Специализированные микросхемы с малым собственным потреблением
• Схемы с автоматическим отключением защиты при нормальной работе

Защита в промышленном оборудовании

Промышленное оборудование требует повышенной надежности защиты. Рекомендуется применять:

• Дублирование элементов защиты
• Схемы с самодиагностикой
• Защиту от множественных факторов (перенапряжение, перегрузка по току, перегрев)
• Гальваническую развязку силовых и управляющих цепей

Защита в автомобильной электронике

Автомобильная электроника работает в жестких условиях эксплуатации, что накладывает особые требования:

• Устойчивость к броскам напряжения в бортовой сети
• Работоспособность в широком диапазоне температур
• Защита от электромагнитных помех
• Соответствие автомобильным стандартам (например, ISO 7637-2)

Перспективные технологии защиты от обратного тока

Развитие технологий открывает новые возможности для создания более эффективных систем защиты от обратного тока:

Применение карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN)

Силовые полупроводники на основе широкозонных материалов обеспечивают:

• Сверхнизкое сопротивление открытого канала
• Высокую скорость переключения
• Работу при повышенных температурах

Интеллектуальные системы защиты

Интеграция микроконтроллеров в схемы защиты позволяет реализовать:

• Адаптивные алгоритмы защиты
• Прогнозирование отказов
• Удаленный мониторинг и управление

Беспроводные технологии

Применение беспроводных технологий в системах защиты обеспечивает:

• Возможность централизованного управления
• Быстрое реагирование на аварийные ситуации
• Сбор и анализ данных о работе устройств

Заключение

Защита от обратного тока является критически важным аспектом проектирования электронных устройств. Правильный выбор метода защиты позволяет обеспечить надежность и безопасность оборудования, оптимизировать его характеристики и снизить стоимость. Развитие технологий открывает новые возможности для создания более эффективных систем защиты, адаптированных к требованиям современной электроники.

Обратный ток при сварке

• Главная
 
• |
• Азбука сварки — Справочный раздел
 
• |
• Общие сведения о сварке
 

Каждый сварочный инвертор имеет две клеммы для подключения. На одну подключают электрод или сварочную горелку, а другую замыкают на сварочном изделии. При этом на инверторах постоянного тока предусмотрены положительная и отрицательная клемма. Поэтому при сварке и

наплавке постоянным током существуют понятия полярности: прямой и обратной.

Полярность определяется тем, к какой клемме подключают электрод. Ток обратной полярности при сварке появляется при подключении изделия к «минусу», а электрода – к «плюсу». Прямая подразумевает, что электрод подключен к отрицательной клемме, а изделие – к положительной.

Прямой и обратный ток при сварке имеют ряд существенных отличий, позволяющих использовать каждый тип тока для разных условий. Тип подключения влияет на особенности сварочного тока, характеристики процесса и его итоговый результат. С помощью советов нашей статьи вы сможете разобраться в отличиях типов подключения.

Рассмотрение понятия следует начать с основ – особенностей явления постоянного тока. На кончике электрода во время сварки появляется термическое пятно. Оно отличается высокой температурой, позволяющей расплавлять основной металла и сварочные материалы и с их помощью формировать

шов.

Температура пятна зависит от его вида. В зависимости от подключения различают катодное и анодное пятно. Поэтому температура зависит от клеммы, к которой подключен электрод. Температура анодного пятна может достигать 4000^oC, а катодного гораздо ниже – его температура обычно не превышает 3200^oC.

При прямом подключении на конце электрода появляется катодное пятно. Заготовка при этом будет анодом, и основная температура будет фиксироваться на самом изделии.

Из-за подключения к положительной клемме обратный ток предполагает, что на электроде образуется анодное пятно. Выступающим катодом основной металл будет получать меньше тепла и будет меньше нагревается.

Помимо температуры есть и другие отличия:

• чтобы получить более глубокую сварочную ванну и более глубокий шов, используют прямое подключение, но при этом шов будет узким, а при обратном шов шире, но не такой глубокий,
• при прямой дуга горит стабильнее, а при обратном токе за ней нужно тщательно следить, чтобы избежать ее скачков и гашения, особенно на низких токах,
• расход электродов на прямом токе выше, потому что они быстрее плавятся, а за счет обратной полярности расход материалов можно снизить,
• из-за слабого нагрева обратный ток практически не способен прожечь металл, поэтому лучше подходит для работы с тонкими изделиями до 3мм, вот прямой ток нагревает сильнее и чаще применяется для более толстых деталей.

Итоговую схему подключения выбирают по роду металла, его толщине, а также по виду сварочных материалов. Например, многие высоколегированные стали и чувствительные металлы лучше варить обратным током, чтобы снизить вероятность перегрева. Электроды для переменного тока нельзя применять для прямой полярности. Для обратного не подойдут чувствительные к перегреву электроды. Независимо от подключения в каждом случае нужно соблюдать и другие рекомендации по сварочному процессу, особенно в вопросах предварительного нагрева или остывания заготовок.

Ответ на этот вопрос очень прост: нет. Суть переменного тока заключается в автоматическом изменении полярности с заданной частотой без переключения. Сварщик никаким образом не может влиять на это и не может самостоятельно менять полярность тока по желанию в принципе. Поэтому переменный ток обратной полярности при сварке не существует.

P-N-переход

При обратном включении к р-области подсоединен “-” источника, а к n-области – “+” источника. Направление поля, которое создается источником внешнего напряжения, совпадает с направлением поля p-n–перехода. Поля складываются и потенциальный барьер между p- и n- областями увеличивается. Диффузионный ток уменьшается и увеличивается дрейфовый ток. Полный ток p-n–перехода определяется только дрейфовым током, т.е. током неосновных носителей заряда. Этот ток называется обратным. Т.о. p-n–переход, включенный в прямом направлении пропускает электрический ток, а включенный в обратном направлении – не пропускает. P-N-переход при обратном напряжении Uобр аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Запирающий слой имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, а по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда +Qобр и –Qобр., созданные ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому р-n-переход обладает емкостью, подобной конденсатору с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью. Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади р-n–перехода, диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она нелинейная, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается и емкость Сб, уменьшается. Характер этой зависимости показывает график на рисунке. Как видно, под влиянием напряжения Uобр емкость Сб изменяется в несколько раз. Зависимость полного тока p-n–перехода от приложенного внешнего напряжения называется статической вольт – амперной характеристикой перехода. При достижении обратным напряжением критического значения Uпр обратный ток резко возрастает. Этот режим называется пробоем p-n–перехода. С практической точки зрения можно выделить два вида пробоя: 1)электрический пробой – он не опасен для p-n–перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства перехода полностью восстанавливаются; 2)тепловой пробой – он может привести к разрушению кристалла и является аварийным режимом. Электрический пробой вызван чрезмерным вырастанием напряженности электрического поля в переходе. Обратный ток вырастает, т.к. электрическое поле большой напряженности вырывает ее из ковалентных связей, и это приводит к увеличению концентрации носителей заряда в переходе. Тепловой пробой вызван нагревом перехода и сопровождается резким увеличением термогенерации носителей заряда в области перехода. Одним из важных параметров полупроводниковых приборов с электронно-дырочными переходами является допустимое обратное напряжение Uобр.max, при котором сохраняется свойство односторонней электропроводности.

Вольт фарадная характеристика

Вольт амперная характеристика P-N перехода

Советы по питанию: варианты защиты от обратной полярности и обратного тока

Электронная почта

Приветствую. Добро пожаловать в видео с советами по питанию. Я Кунал Гоэл, инженер по приложениям в Texas Instruments. В этом видео мы рассмотрим варианты защиты от обратной полярности и обратного тока. С появлением новых тенденций в электронике проектирование входных систем питания становится сложной задачей. Растущие уровни мощности и компактные размеры электронных систем увеличивают потребность в конструкциях с высокой эффективностью и удельной мощностью. Такие приложения, как е-метры, медицинский ультразвук, автономное вождение, должны быть очень надежными. Надежная система должна быть защищена от сбоев входного питания и должна поддерживать резервирование входов питания. Защита от обратной полярности и обратного тока — две очень важные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики, о которых мы поговорим в этом видео. На этом слайде обсуждается блокировка обратного тока и защита от обратной полярности в моторных воротах. Давайте сначала посмотрим RCB. Теперь рассмотрим случай, когда выходное напряжение становится выше входного. Это приводит к протеканию обратного тока и может привести к повреждению вышестоящей схемы или сокращению срока службы батареи. Решение RCB предотвращает этот обратный поток тока, а также помогает увеличить время резервного копирования удерживающей крышки в критических приложениях. Теперь возникает необходимость защиты от обратной полярности в таких ситуациях, как неправильное подключение NPLC на месте или при обратном подключении блокировки тока. Решение RPP предотвращает повреждение последующих нагрузок, таких как микроконтроллер, преобразователь постоянного тока. Решение RPP может разрешить обратный ток в приложениях с индуктивной нагрузкой, потому что блокировка обратного тока на индуктивную нагрузку может вызвать скачок напряжения на выходной стороне, что может привести к повреждению других цепей ниже по потоку. Традиционно для защиты от обратной полярности и блокировки обратного тока использовались скриптовые решения, такие как диод Шоттки и инфракрасный порт, но они имеют некоторые недостатки. Решение с силовым диодом Шоттки обеспечивает как RCB, так и RPP, но нецелесообразно для сильноточных конструкций из-за больших потерь мощности и большого размера решения. Например, использование диода Шоттки приводит к меньшему запасу для работы постоянного тока в нисходящем направлении в условиях холодного запуска автомобиля до высокого падения напряжения в прямом направлении. С другой стороны, решение P-FET обеспечивает только RPP. Он громоздкий из-за большого количества компонентов, а также вызывает падение высокого напряжения в условиях холодного пуска из-за увеличения RDOn. Из-за отсутствия RCB он дает более низкую производительность во время автомобильных OEM-тестов, таких как AC Superimpose и Short Interrupts. Недостатки традиционного дискретного решения можно преодолеть, используя идеальный диодный контроллер. Идеальный диодный контроллер — это интегрированный контроллер, который управляет полевым транзистором для имитации идеального диода с очень низким падением напряжения в прямом направлении и нулевым обратным током постоянного тока. Идеальное решение для диодного контроллера, такое как LM7400-Q1 + NFET, предлагает такие характеристики, как очень низкие: ток 80 мкг и время отклика менее 0,5 мкс для блокировки обратного тока. В таблице справа показано сравнение идеального диодного контроллера, силового диода и решения на P-FET. Подводя итог, можно сказать, что идеальный диодный контроллер обеспечивает масштабируемое решение с малым значением a и низким прямым падением напряжения. На следующих слайдах мы увидим использование различных идеальных диодных контроллеров в некоторых важных приложениях. Обратное подключение аккумулятора в автомобильной системе. Неправильное подключение поля в промышленном приложении является распространенной ошибкой. Питается, но склонен к обратной полярности входного питания, может быть разделен на две части в зависимости от требований защиты. Путь с низким приводом, как следует из названия, дает питание нагрузкам, таким как реле омывателя, которые обычно имеют индуктивный характер. Как мы видели на предыдущем слайде, блокирование обратного тока на индуктивную нагрузку может привести к выбросу напряжения, что неблагоприятно для системы, поэтому для пути с малым током требуется RPP, а не RCB. В таких приложениях, как автомобильный тракт управления нагрузкой BCM или цифровой модуль вывода в ПЛК, подходящим устройством является контроллер защиты от обратной полярности, такой как LM74500-Q1. С другой стороны, логический путь обеспечивает питание таких модулей, как преобразователи постоянного тока и LDO. Обратный ток не должен протекать по логическому пути, так как он может разрядить удерживающий конденсатор до такого низкого напряжения, что это может привести к сбросу подсистемы. Этот путь нуждается в защите как от RPP, так и от RCB. Для таких приложений мы можем использовать идеальный диодный контроллер, такой как LM74700-Q1. Для достижения надежности в приложении несколько источников питания собираются вместе, чтобы сформировать единый источник питания для устройства. Это известно как ORing. Когда несколько USB Type-C могут подавать или получать питание, требуется надежный RCB для предотвращения утечки тока между соседними портами, как показано на рисунке вверху. Без RCB накопление утечки обратного тока может привести к необратимому повреждению всей системы. LM73100 хорошо подходит для этого приложения, так как он имеет линейный механизм ИЛИ, который дает истинное RCB, и имеет небольшой размер корпуса 2 мм на 2 мм. По мере того, как USB-устройства становятся все более популярными, защита питания для этих устройств должна обеспечивать надежные функции без ущерба для производительности при доставке с высокой мощностью и высокоскоростной передаче данных. В связи с растущими потребностями приложений в мощности использование дискретных решений защиты не является устойчивым. Они имеют низкую эффективность, требуют управления температурным режимом, например, добавления радиатора, и приводят к увеличению места на печатной плате. Идеальные диодные контроллеры предлагают компактные и масштабируемые решения для защиты вашей системы от обратного напряжения или обратного тока. Эти устройства значительно снижают потери энергии, обычно возникающие при прямом падении напряжения традиционных дискретных решений. На этом мы подошли к концу этого видео. Спасибо за просмотр.

Описание

4 августа 2021 г.

В этом видео рассказывается о различных решениях по защите от обратной полярности и блокировке обратного тока. Сначала мы рассмотрим компромиссы при использовании традиционных дискретных решений, а затем мы увидим, как идеальный диодный контроллер может уменьшить эти компромиссы. Наконец, мы рассмотрим приложения, демонстрирующие использование различных идеальных диодных контроллеров от TI.

Дополнительная информация

Защита от обратного тока 101 | TI.com Видео

Электронная почта

Всем привет. Меня зовут Зак, и сегодня мы подробно рассмотрим защиту от обратного тока. Мы начнем с рассмотрения причин и рисков, связанных с обратным током, а затем поговорим о доступных вариантах предотвращения обратного тока. А после мы более подробно рассмотрим каждое из ранее представленных решений на примере из портфолио Texas Instruments. Итак, причины и риски обратного тока. Ток меняется на противоположный, когда вы подключаете аккумулятор к компоненту в обратном направлении или с неправильной полярностью. Он посылает ток в противоположном направлении, в котором он должен проходить по цепи, что может привести к внутреннему повреждению. Другой причиной обратного тока являются случайные короткие замыкания. При возникновении любой из этих ситуаций могут быть повреждены некоторые внутренние компоненты, как показано на слайде, или сама батарея. Ни одна из этих ситуаций явно не является хорошей. Итак, что можно сделать, чтобы предотвратить повреждение вашей системы обратным током? На высоком уровне поток обратного тока или обратное напряжение смещения должны быть очень низкими, чтобы предотвратить повреждение. Это может быть обеспечено использованием диода или транзистора. Справа вы можете увидеть примеры этих устройств, включая варианты транзисторов PNP и NPN. Начнем с диодов. Это самый простой и дешевый способ получить защиту от обратного тока. Поэтому, если у вас есть слаботочное приложение, которое нуждается в защите от обратного тока, диоды — это то, что вам нужно. Однако следует иметь в виду недостатки, в том числе прямое падение напряжения, вызванное диодом. Это приводит к сокращению срока службы батареи, ограничению VCC и отслеживанию энергопотребления схемой. Лучший способ смягчить эти недостатки — использовать диод Шоттки из-за его меньшего прямого падения. Однако у диодов Шоттки есть две проблемы: они дороже и имеют большую утечку обратного тока. Это может быть не то, что вам нужно в ситуации с защитой от обратного тока. Другой альтернативой является использование полевого транзистора. Это полезно, когда вам нужно поддерживать целостность энергоэффективности вашей системы и VCC, потому что полевые транзисторы имеют очень низкое прямое падение напряжения. Они также могут работать с приложениями с более высокими токами. Однако полевые транзисторы сложнее и дороже, чем диоды. Справа, на верхнем изображении, вы можете видеть, что nMOSFET установлен в цепь заземления. А на нижнем рисунке вы можете увидеть pMOSFET, установленный на пути питания схемы. Эти nMOSFET работают, ориентируя внутренний диод в направлении нормального протекания тока, поэтому при неправильной установке батареи напряжение затвора mMOSFET становится низким, что предотвращает его включение и предотвращает протекание обратного тока. Однако при правильной установке батареи напряжение на затворе высокое, и этот канал замыкает землю. Для pMOSFET это почти то же самое, за исключением того, что напряжение на затворе противоположно.