Защита от переполюсовки на полевом транзисторе. Защита от переполюсовки источника питания: схемы и методы реализации

Как защитить электронные устройства от случайной переполюсовки питания. Какие существуют схемы защиты от неправильного подключения полярности. Почему важно использовать защиту от переполюсовки. Какие компоненты лучше всего подходят для реализации защиты от обратной полярности.

Почему необходима защита от переполюсовки

Переполюсовка источника питания — это ситуация, когда полярность напряжения питания случайно меняется на обратную. Такая ошибка может привести к выходу из строя электронных компонентов и всего устройства в целом. Существует множество причин, по которым может произойти переполюсовка:

• Ошибка при подключении проводов питания
• Неправильная маркировка разъемов питания
• Использование универсальных блоков питания с реверсивными штекерами
• Невнимательность при подключении батарей
• Случайная перестановка проводов при отладке устройства

Даже опытные разработчики и пользователи электроники не застрахованы от таких ошибок. Поэтому защита от переполюсовки является важным элементом надежной схемотехники.

Основные методы защиты от переполюсовки

Существует несколько основных подходов к реализации защиты от обратной полярности питания:

1. Использование защитного диода
2. Применение полевых транзисторов
3. Схемы на биполярных транзисторах
4. Специализированные микросхемы защиты

Рассмотрим подробнее каждый из этих методов, их преимущества и недостатки.

Защита с помощью диода

Самый простой способ защиты от переполюсовки — включение диода последовательно с нагрузкой. При правильной полярности диод открыт и пропускает ток. При переполюсовке диод закрыт и блокирует протекание тока через нагрузку.

Преимущества такого решения:

• Простота реализации
• Низкая стоимость
• Надежность

Однако у диодной защиты есть существенные недостатки:

• Падение напряжения на диоде (0.6-0.7В для кремниевых диодов)
• Рассеивание мощности на диоде
• Снижение КПД устройства

Для минимизации падения напряжения часто используют диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения составляет 0.2-0.4В. Но даже такое падение может быть критичным для низковольтных схем.

Защита на полевых транзисторах

Более совершенным решением является использование полевых транзисторов для защиты от переполюсовки. Рассмотрим схему на P-канальном MOSFET:

В нормальном режиме транзистор открыт и имеет очень низкое сопротивление канала. При переполюсовке транзистор закрывается, блокируя ток. Преимущества такого подхода:

• Очень низкое падение напряжения в открытом состоянии
• Малое тепловыделение
• Высокий КПД

Недостатки:

• Более высокая стоимость по сравнению с диодом
• Необходимость правильного выбора транзистора

Как работает защита на P-канальном MOSFET

Принцип работы схемы защиты на P-канальном MOSFET следующий:

1. При правильной полярности затвор транзистора соединен с общим проводом через резистор и стабилитрон. Напряжение затвор-исток отрицательное, транзистор открыт.
2. При переполюсовке напряжение на затворе становится положительным относительно истока. Транзистор закрывается, блокируя ток.
3. Стабилитрон ограничивает напряжение на затворе в безопасных пределах.

Важно правильно выбрать напряжение стабилитрона и номинал резистора для надежной работы схемы.

Защита на N-канальном MOSFET

Альтернативный вариант — использование N-канального MOSFET в цепи общего провода:

Преимущества N-канальных MOSFET:

• Более низкое сопротивление открытого канала
• Меньшая стоимость по сравнению с P-канальными

Недостаток — необходимость формирования напряжения на затворе выше напряжения питания для полного открытия транзистора. Это усложняет схему.

Схемы на биполярных транзисторах

Для защиты от переполюсовки можно использовать и биполярные транзисторы. Рассмотрим простую схему:

Принцип работы:

1. При правильной полярности транзистор открыт и шунтирует защитный диод
2. При переполюсовке транзистор закрыт, диод блокирует обратный ток

Преимущества:

• Простота реализации
• Низкая стоимость компонентов

Недостатки:

• Падение напряжения на открытом переходе транзистора
• Меньшая эффективность по сравнению с MOSFET

Специализированные микросхемы защиты

Для защиты от переполюсовки разработаны специальные интегральные микросхемы. Они обеспечивают комплексную защиту от:

• Обратной полярности напряжения
• Перенапряжения
• Перегрузки по току

Преимущества таких решений:

• Высокая степень интеграции
• Широкий спектр защитных функций
• Простота применения

Недостатки:

• Более высокая стоимость
• Ограниченный выбор номиналов

Выбор оптимального метода защиты

При выборе способа защиты от переполюсовки следует учитывать:

• Рабочее напряжение и ток устройства
• Допустимое падение напряжения на элементах защиты
• Требования к КПД
• Стоимость реализации
• Габариты устройства

Для маломощных низковольтных устройств оптимальным выбором часто является защита на MOSFET. Для силовых применений могут потребоваться специализированные микросхемы защиты.

Заключение

Защита от переполюсовки — важный элемент надежной электронной схемы. Существует множество способов реализации такой защиты, от простых диодных схем до специализированных интегральных решений. Правильный выбор метода защиты позволяет обеспечить надежную работу устройства и защитить его от случайных ошибок при подключении питания.

схемы защиты от переполюсовки | MyElectrons.ru

Содержание

• 1 Истории из жизни
• 2 Защитный диод последовательно с нагрузкой
• 3 Защитный диод параллельно с нагрузкой
• 4 p-channel MOSFET — удачное, но дорогое решение
• 5 n-channel MOSFET — наилучшая защита
• 6 Осторожно: статическое электричество!
• 7 Я не одинок
  • 7.1 Где добыть MOSFET-ы практически даром
• 8 Примеры применения
• 9 Вам было интересно? Напишите мне!

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:

Защита от переполюсовки.

» Хабстаб

Для питания своих устройств на этапе отладки, использую обычные зарядки от телефона, припаяв им к выходу bls разъём.

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.

Этот способ работает, но у него есть два недостатка: первый — это большое падение напряжения на диоде, порядка 0. 7 вольта, что недопустимо для низковольтных цепей(3.3 и 5 вольт), второй — это мощность, которую он рассеивает. Так как через этот диод протекает ток, питающий всё устройство, то на нём рассеивается большая мощность, которая выделяется в виде тепла. Допустим, наше устройство потребляет 1А тогда мощность которую будет рассеивать диод равна.

Немного улучшить ситуацию можно используя диод Шоттки, который обладает меньшим падением напряжения, порядка 0.4 вольта, но для низковольтных цепей такое решение всё равно не подходит.

Получается, что идеальный для наших целей элемент должен обладать низким сопротивлением, тогда и падение напряжения на нём будет малым. И такой элемент существует, конечно же, это полевой транзистор, сопротивление канала современных mosfet’ов составляет миллиомы или десятки миллиом.

При подключении источника питания ток течёт через паразитный диод(он образуется при производстве из-за не совершенства технологического процесса), на котором падает порядка 1V, в результате чего напряжение на истоке становится равным Uпит -1 и разность напряжений затвор-исток открывает полевой транзистор.

Давайте вернёмся к низковольтной цепи, которая питается от 5V и в которую мы так и не смогли пристроить диод. Полевой транзистор возьмём из серии IRLML, которая управляется логическим уровнем, а именно IRLML_6401, сопротивление открытого канала, у которого 50 миллиом, а пороговое напряжение открытия VGS(th) от -0.4V до -0.95V.

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.

Подобные сборки используются в четвёртом и пятом iphone для защиты usb входа, ниже часть схемы, найденная в интернете.

Существует еще один способ защиты от переполюсовки и заключается он в том, что параллельно нагрузке ставится диод, а на входе последовательно ставится предохранитель. При соблюдении полярности ток через диод не течёт, при переполюсовке ток начинает течь по цепи диод — предохранитель и так как ток ни чем не ограничен предохранитель должен сгореть.

Выше был описан идеальный сценарий, на самом деле может быть и наоборот, раньше сгорит диод и тут вопрос в том, уйдёт ли он в обрыв сгорая или нет.
Пока ток течёт через диод, к схеме приложено напряжение обратной полярности равное падению напряжения на диоде(иногда чтобы уменьшить его используют диод Шоттки), но если диод уходит в обрыв, к схеме прикладывается полное напряжение питания, но обратной полярности, то есть происходит переполюсовка и схема выходит из строя. Советовать этот способ не стал бы, но знать о нём нужно и дело тут не столько в самом способе(можно взять диод максимальный ток которого в два раза превышает ток предохранителя и предохранитель, который сгорает при кратковременном броске тока(flink)), сколько в качестве современных электронных компонентов, которые зачастую неизвестного происхождения.

Нужна помощь в понимании схемы защиты MOSFET от обратной полярности

спросил 1 год, 7 месяцев назад

Изменено 1 год, 7 месяцев назад

Просмотрено 3к раз

\$\начало группы\$

Я работаю над схемой защиты от обратной полярности. Я обнаружил, что большинство людей используют схему, как указано ниже.

У меня мало вопросов относительно направления MOSFET

1. Почему он подключен в обратном направлении (потому что, если вы подключите другим способом, он также работает)?
2. Общий ток проходит через внутренний диод (поскольку в p-MOSFET ток течет от истока к стоку). Как это помогает?

• обратная полярность

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Почему он подключен в обратном направлении (потому что если вы подключите другие кстати тоже работает)?

При подключении «по-другому» объемный диод будет проводить на реверс питания, что полностью испортит его основное назначение (защита от обратного напряжения).

Общий ток проходит через корпусной диод (поскольку в Ток p-MOSFET течет от истока к стоку). Как это помогает?

На самом деле нет, поскольку МОП-транзистор включен, сопротивление канала МОП-транзистора (миллиОм) является основным токопроводящим путем.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

P-FET подключен в обратном направлении (сток к +), так что, когда вход подается в обратном направлении, не только затвор FET выключается, но и внутренний диод смещается в обратном направлении. Так что дело прикрыто: обратный ток блокируется обратной батареей.

Когда батарея подключена нормально, напряжение затвор-сток Vgs включает полевой транзистор, и он проводит с очень низким Rds(on).

Как это бывает, корпусной диод никогда не вступает в игру, хотя на самом деле он ничему не вредит. Это связано с тем, что, когда напряжение полевого транзистора Vgs включено, ток течет от стока к истоку (да, это работает — улучшающие полевые транзисторы проводят ток в любом направлении). Поскольку Rds(on) имеет низкое значение, возникает недостаточное напряжение для прямого смещения внутреннего диода выше его порога, поэтому он не проводит.

Таким образом, «обратно» подключенный полевой транзистор ведет себя как почти идеальный диод, почти без падения напряжения в прямом направлении. Аккуратно, да?

Итак, для чего этот Зенер? Поскольку это полевой МОП-транзистор, максимальное напряжение затвор-исток (Vgs), которое он может поддерживать, обычно составляет +/- 10 В для большинства мощных полевых транзисторов. Зенер ограничивает Vgs до безопасного уровня (в данном случае 10 В), чтобы предотвратить повреждение устройства. Если бы входное напряжение составляло всего ~ 10 В, это не было бы проблемой, и затвор можно было бы напрямую подключить к GND.

Моделируйте здесь.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Подключается в этом направлении и блокируется при подаче отрицательного напряжения. Причина использования полевого МОП-транзистора вместо простого диода заключается в том, чтобы иметь возможность включить полевой МОП-транзистор, чтобы закоротить его внутренний диод, уменьшая падение напряжения и, следовательно, потери мощности; МОП-транзистор проводит в обоих направлениях, когда он включен

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Что вам кажется неясным, так это то, что диод, показанный на вашем символе FET, действительно существует. Он будет проводить в прямом направлении независимо от того, включен или выключен полевой транзистор, как дискретный диод. Когда вы выключаете полевой транзистор, диод все еще существует, поэтому вы хотите, чтобы он блокировал обратный ток.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Защита от обратной полярности напряжения с помощью P-MOSFET

\$\начало группы\$

Не могли бы вы помочь мне понять, почему в схеме обратной полярности с каналом P MOSFET Исток MOSFET подключен к НАГРУЗКЕ и СТОКУ к источнику питания? Я понимаю концепцию корпусного диода в МОП-транзисторе, но все же не совсем понимаю, почему бы не подключить ИСТОЧНИК к питанию, а СТОК к нагрузке? В показанной схеме пренебрежем стабилитроном и резистором R1.

• MOSFET
• защита цепи
• обратная полярность
• р-канал

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Если вы понимаете, что такое корпусной диод, то вы должны увидеть, что если вы подадите значительное отрицательное напряжение на вход, корпусному диоду потребуется , чтобы заблокировать его, иначе он передаст неправильную полярность на выход, что, вероятно, разрушит схему, к которой он подключен.

При нормальной работе (положительный вход) внутренний диод шунтируется сопротивлением канала Rds(on) МОП-транзистора. В режиме блокировки (отрицательный вход) и внутренний диод, и канал MOSFET блокируются.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

МОП-транзисторы имеют хитрый трюк: они могут работать в обоих направлениях благодаря своей симметричной конструкции. У полевых транзисторов с 3 выводами также есть проблема: внутренний диод будет проводить, когда полевой транзистор подключен и смещен в «обратном» направлении (Vds отрицателен для pFET), даже если полевой транзистор «выключен». Внутренний диод является побочным эффектом внутреннего соединения источник-подложка.

Во всяком случае, вот что делает схема:

• При входе +12 полевой транзистор работает в обратном направлении, как через внутренний диод, так и через основной канал. Но поскольку полевой транзистор включен в состояние насыщения, ток через диод практически отсутствует: он закорочен. Это партийный трюк.

• При -12 в (перепутанный вход) основной канал отключается. Кроме того, диод корпуса имеет обратное смещение. Так что ток не течет.

Если бы вы перевернули соединение полевого транзистора и подключили исток к +12, то есть «нормальному» способу, внутренний диод будет проводить при переключении входа, даже если затвор-исток полевого транзистора смещен в положение «выключено». Это противоречит цели схемы.

Другое дело. Также можно использовать n-FET таким же образом, но на стороне GND. На самом деле это предпочтительнее, поскольку n-FET обычно имеют лучшие характеристики Rds(on), чем p-FET.

Вот симуляция, показывающая, как работает p-FET и как использовать n-FET (моделируйте здесь):

Подробнее здесь: Что делает эта простая схема?

А здесь: Двухнаправленный полевой транзистор. Является ли это возможным?

Вторая ссылка показывает больше трюков для вечеринок… то есть методов использования полевых транзисторов для передачи или блокирования сигналов, включая полевые транзисторы с обратной связью и полевые транзисторы с 4 выводами, которые имеют отдельное соединение с подложкой.