Защита устройств от неправильной подачи полярности питания

  • Tutorial
image
При проектировании промышленных приборов, к которым предъявляются повышенные требования по надёжности, я не раз сталкивался с проблемой защиты устройства от неправильной полярности подключения питания. Даже опытные монтажники порой умудряются перепутать плюс с минусом. Наверно ещё более остро подобные проблемы стоят в ходе экспериментов начинающих электронщиков. В данной статье рассмотрим простейшие решения проблемы — как традиционные так и редко применяемые на практике методы защиты.

Простейшее решение, которое напрашивается с ходу — включение последовательно с прибором обычного полупроводникового диода.

Просто, дёшево и сердито, казалось бы чего ещё нужно для счастья? Однако, у такого способа есть очень серьёзный недостаток — большое напряжение падения на открытом диоде.

Вот типичная ВАХ для прямого включения диода. При токе в 2 Ампера напряжение падения составит примерно 0.85 вольт. В случае низковольтных цепей 5 вольт и ниже это очень существенная потеря. Для более высоковольтных такое падение играет меньшую роль, но есть ещё один неприятный фактор. В цепях с высоким током потребления на диоде будет рассеиваться весьма значительная мощность. Так для случая, изображённого на верхней картинке, получим:
0.85В х 2А = 1.7Вт.
Рассеиваемая на диоде мощность уже многовата для такого корпуса и он будет ощутимо греться!
Впрочем, если вы готовы расстаться с несколько большими деньгами, то можно применить диод Шоттки, который имеет меньшее напряжение падения.

Вот типичная ВАХ для диода Шоттки. Подсчитаем рассеиваемую мощность для этого случая.
0.55В х 2А = 1.1Вт
Уже несколько лучше. Но что же делать если ваше устройство потребляет ещё более серьёзный ток?
Иногда параллельно устройству ставят диоды в обратном включении, которые должны сгореть если перепутать напряжение питания и привести к короткому замыканию. Ваше устройство при этом скорее всего потерпит минимум повреждений, но может выйти из строя источник питания, не говоря уже о том, что сам защитный диод придётся заменить, а вместе с ним могут и дорожки на плате повредиться. Словом этот способ для экстрималов.
Однако, есть ещё один несколько более затратный, но весьма простой и лишённый перечисленных выше недостатков способ защиты — с помощью полевого транзистора. За последние 10 лет параметры этих полупроводниковых приборов резко улучшились, а цена наоборот сильно упала. Пожалуй то, что их крайне редко используют для защиты ответственных цепей от неправильной полярности подачи питания можно объяснить во многом инерцией мышления. Рассмотрим следующую схему:

При подаче питания напряжение на нагрузку проходит через защитный диод. Падение на нём достаточно велико — в нашем случае около вольта. Однако в результате между затвором и истоком транзистора образуется напряжение превышающее напряжение отсечки и транзистор открывается. Сопротивление исток-сток резко уменьшается и ток начинает течь уже не через диод, а через открытый транзистор.

Перейдём к конкретике. Например для транзистора FQP47З06 типичное сопротивление канала будет составлять 0.026 Ом! Нетрудно рассчитать что рассеиваемая при этом на транзисторе мощность для нашего случая будет всего 25 милливатт, а падение напряжение близко к нулю!
При смене полярности источника питания ток в цепи течь не будет. Из недостатков схемы можно пожалуй отметить разве то, что подобные транзисторы имеют не слишком большое пробивное напряжение между затвором и истоком, но слегка усложнив схему можно применить её для защиты более высоковольтных цепей.

Думаю читателям не составит труда самим разобраться как работает эта схема.

Уже после публикации статьи уважаемый пользователь Keroro в комментариях привел схему защиты на основе полевого транзистора, которая применяется в iPhone 4. Надеюсь он не будет возражать если я дополню свой пост его находкой.
Share post

Comments 63

    +3
    Ваше устройство при этом скорее всего потерпит минимум повреждений, но может выйти из строя источник питания, не говоря уже о том, что сам защитный диод придётся заменить, а вместе с ним могут и дорожки на плате повредиться

    Чтобы не поплавились дорожки — можно ставить плавкий предохранитель. Кроме того, кто может развеять мои сомнения в том, что само устройство может сгореть до того как расплавится предохранитель?

    Ваш вариант с полевиком интересен. Емнип, я его уже встречал, но вспомнил об этом только сейчас. А когда нужно было — не вспомнил.
      +1
      Зависит от тока, который способен выдать источник и допустимого обратного напряжения на схеме. Если ток короткого замыкания не создаст на диоде падение напряжения больше 0,6-0,7 В, то вряд ли что-то пострадает.
      Собственно, недостаток нижней схемы — в том, что емкость подзатворного диэлектрика может достигать сотен пикофарад, и если перед подключением транзистор будет открыт (например, остаточным напряжением на емкости по питанию), то пока перезаряжается затвор, уже все может к чертям погореть.
        0
        Такое возможно но не слишком вероятно. Последний вариант схемы должен сильно снизить подобную вероятность. Через стабилитрон ток стечёт, в первом можно поставить высокоомный резистор параллельно затвору.
          0
          Под «параллельно затвору», имеется ввиду, очевидно, резистор с затвора на плюс?
          0
          Дело не только в токе, который может выдать источник, а ещё и в энергии, которую могут накопить ёмкости, стоящие в цепи питания. Несколько десятков или сотен ампер в коротком импульсе в случае неграмотного подбора элементной базы могут убить элемент, который вроде как должен выдерживать «ток, который способен выдать источник». И никакие предохранители тут не спасут.
            –1
            Естественно конкретный тип транзистора надо подбирать под задачу. Однако мощные полевые транзисторы способны выдерживать весьма значительные кратковременные перегрузки по току. Сопротивление соединительных проводов и разъёмов не позволит вырасти току до бесконечности даже в случае установки идеальной ёмкости.
              0
              Сопротивление проводов и разъёма не участвует в случае, если ёмкость стоит непосредственно на плате. Здесь будет работать только сопротивление дорожки от ёмкости до диода, а при плотной разводке оно может составлять единицы мОм. Накопленная энергия берётся именно из ёмкости, а не из источника питания.
                0
                Господин, вы физику в школе учили?
                У нас имеется источник питания.
                Источник питания мы подсоединяем к нашей плате?
                Да если бы она там и была, куда она потечёт? Единственно возможный вариант к тому же источнику питания опять же по соединительным проводам.
                Перед основной схемой в том числе ёмкостями на плате стоят защитные цепи.
                Какая накопленная энергия? Откуда накопленная энергия в отключенной от источника плате.
                В момент подключения ток начинает течь от источника питания в нашу схему через соединительные провода.
                Для случая когда источник питания находится на самой плате нет никакого смысла ставить защитную цепь от переполюсовки питания. Конечно возможно что схемотехник перепутал плюс с минусом при разработки платы, но это уже клинический случай и я в своей практике не встречал чтобы подстраховываясь о этого ставили защитные цепи.
                  +1
                  Вот попрошу без оскорблений. Зачем так нервничать?
                  Я имел в виду следующую ситуацию:

                  Ёмкость физически расположена рядом с диодом и нагрузкой. Ёмкость заряжается при подаче питания. Допустим, при поданном напряжении вместо резистора R1 внезапно образовалась закоротка (что-то пошло не так). Куда по-вашему денется энергия ёмкости? Причём здесь длинные провода источника питания?

                  Если напряжение невысокое и диод будет стоять слева от конденсатора, ничего ему не грозит. Но если вы работаете с высокими напряжениями (100В), сопротивление проводов тут уже не спасёт.
              +2
              Все зависит от того, как убьется этот элемент. Некоторые диоды при сверхтоках сплавляются в перемычку, а некоторые «взрываются» и уходят в обрыв.
                0
                Я же уже написал, что токам в сотни ампер не дадут протечь соединительные провода от источника питания к устройству, если вы конечно не собрались подсоединяться сверхпроводящими кабелями, плавающими в жидком азоте.
                Даже если предположить что провода от источника питания имеют сопротивление всего в 0.1 ом на практике оно обычно выше, то на токе в 100 ампер на них упадёт аж 10 вольт! Ещё 3-4 вольта упадёт на открытом канале транзистора. Так что банальные провода послужат лучшим ограничителем тока. Я уже не говорю про то, что при очень быстро нарастающих токах скажет свою роль индуктивность соединений.
                Разумеется всё вышесказанное не относится к силовой электронике с фарадными конденсаторам, там совершенно другие токи и методы защиты.
                Плюс к этому, если таки поставить между затвором и истоком сопротивление или стабилитрон то транзистор не будет открыт в момент подключения. В начальный момент ток буде диодом ограничен, в дальнейшем транзистор будет медленно открываться как раз из за затворной ёмкости. Никакого сверхбыстрого всплеска не получится. По крайней мере он будет не сильно больше случая, когда производится защита обычным диодом.
                  –2
                  То, о чём Вы пишите, имеет смысл только на длинных проводах, когда ёмкость находится на большом расстоянии от цепи защиты. На практике же ёмкости стоят на входе печатной платы (или устройства). Имеет роль именно расстояние от этой ёмкости до защитного элемента, всё что за ней — в данном случае не так страшно. Расстояние это может быть минимальным и никаких 0.1 Ом там не будет (при должном сечении печатной дорожки). Я лично наблюдал, как транзистор, рассчитанный на 30А в импульсе, сгорал от КЗ, имея при этом в цепи предохранитель, а максимальный ток БП составлял 0.5А.
                    0
                    Извините, не возможно спорить с человеком, когда ты говоришь про сладкое, а он про зелёное.
                      0
                      Спор начали Вы, заметьте. И обвинять меня в чём-то и оскорблять также начали Вы. Я лишь привёл пример из собственной практики, основанный на моём опыте работы с силовой электроникой.
                +1
                Если исток и затвор соединить десятикилоомным резистором, то последний за время между отключением и сменой полярности успеет разрядиться, и транзистор закроется.
                +9
                Вот например в 4-ом iPhone:
                image
                  +1
                  Спасибо за пример из реальной жизни. Как раз тот случай, когда потери даже в пол вольта на элементе защиты недопутимы!
                    0
                    Похоже в данной схеме уже специальный защитный элемент используется на основе P канального транзистора, я и не знал что такие существуют!
                      0
                      Но стоимость P-канала гораздо выше, это иногда огорчает.
                        +4
                        Да, к сожалению для сильно бюджетных устройств это решение дороговато, но я в основном занимаюсь промышленной автоматизацией и там лишний транзистор роли не играет. Один только фланец с корпусом из кислотостойкой стали может потянуть под тысячу долларов! Угробить такой прибор неправильным подключением на удалённом объекте, где с ходу его не починить это катастрофа!
                      0
                      Пожалуй, такую защиту стоить почаще вставлять в телефоны!
                      Однажды я решил починить телефон жены, Just5 CP10. У меня хороший лабораторный блок питания из Германии, но он был куплен без проводов, поэтому за проводами пришлось сбегать на радиорынок, а там только китайские. Полярность у USB разъема этих проводов была перепутана — стоит ли говорить, что теперь телефон подлежит более серьезному ремонту?
                        0
                        Кстати у меня сгорел мегафоновский планшет таким образом. Со слепу в темноте пытался микроUSB вставить кверх ногами. И мне это почти удалось, потом было шшшш с дымком.
                      +1
                      Предохранитель — штука достаточно медленная и может не успеть отреагировать на резкие скачки тока. Много раз наблюдал ситуацию, когда предохранитель оставался цел и невредим, а схема, которую он якобы защищает, выходила из строя (речь конечно же не о печатных дорожках). Быстрые схемы защиты на активных компонентах в этом плане более пригодны.
                        0
                        «Дом сгорит, а пробка останется!».
                          0
                          Предохранитель, в сущности, ставят для защиты от пожара, т.е. для защиты от токов, которые вызывают опасный нагрев. Электронику защищать они и не предназначены, в общем случае.
                            0
                              +1
                              Это очень очень тормозные штуки, которые повышают своё сопротивление в результате нагрева. Пока они разогреются и отключат питание всё что могло успеет на плате выгореть.
                                +1
                                А ещё о временем параметры компонентов плывут и ток в схеме возрастает. И на сцену выходят самовосстанавливающиеся предохранители. Они выключаются с прогревом и после остывания снова включаются. При этом могут подарить порчу данных на флешках и прочие радости.
                                  0
                                  Я как то пытался их применять, но быстро отказался после знакомства. Сегодня они достаточно широко используются в автомобильной электронике но в самых тупых случаях например для защиты от КЗ их ставят последовательно с фарами.
                                  Был такой способ угона раньше — разбивали фару и устраивали коротыш на её месте. Аккумулятор либо быстро садился либо выходил из строя. После этого машину можно было брать голыми руками.
                                    0
                                    Непонятна схема угона
                                    Если закоротить лампочку в выключенной фаре — ничего не будет и аккум не высадится.
                                    Или я что-то упустил?
                                      0
                                      Полагаю, тут расчет на то, что сработает сигнализация, которая кроме сирены обычно мигает фарами.
                              0
                              По классике жанра еще варистор на входе зачастую стоит, но как показала практика, если вместо 24В подать 220В, то успевает выгореть и предохранитель и дорожки и варистор испариться успевает, но в 90% случаев транс и остальная схема остаются живы.
                                0
                                Ну варистор это совсем другое, его любят ставить как раз в паре с проволочным сопротивлением, которое по идее в первую очередь и сгорает. Но это совсем другой тип защиты от совсем других опасностей.
                                  0
                                  газоразрядник можно
                              +2
                              Какая-то у Вас принципиальная схема не по ГОСТу. На 10 вольт — это стабилитрон?
                                +1
                                ГОСТа сейчас мало кто придерживается, особенно в статьях. Это когда речь заходит об оформлении документации по ЕСКД… Элемант на схеме «двунаправленный» стабилитрон +-10 вольт. Думаю и супрессор подойдёт, но надо про рабочие токи не забывать. На слабых токах напряжение стабилизации может существенно отличаться от номинального.
                                  +1
                                  В ГОСТе есть специальная сноска по этому поводу насчет использования УГО в автоматизированных системах. Так что таки по ГОСТу ;)
                                • UFO just landed and posted this here
                                    0
                                    Работает хорошо, но к сожалению не всегда применим. Промышленные приборы часто подсоединяют с помощью клеммников. Да и при самостоятельном изготовлении кабельной сборки можно перепутать полюса.
                                      +1
                                      Видел, мастерили из цилиндрических неодимовых магнитов «защиту „(если габариты разъёма позволяют) — всверливали в разъём и сажали на клей. При попытке переполюсовки одноимённые полюса магнитов не дадут воткнуть разъём. Минимальная защита от дурака.
                                      • UFO just landed and posted this here
                                          0
                                          В Mini-Fit разъёмах (питание АТХ на материнских платах) используются по разному сформированый пластик — со срезанными уголками и без. В слотах для памяти сделаны вырезы в разных местах так как у них разные напряжения питания. Разъёмы PCI и PCIe разные и имеют защиту от всовывания непригодной платы. Но всегда найдётся «паровозик который смог».
                                      0
                                      Разбор защиты от переполюсовки на полевике от International Rectifier. С матаном и цифрами: DT 94-8
                                        +1
                                        по поводу применения транзисторов вместо защиты. В схемах с батарейным питанием такие рекомендуют применять уже давно. Так же есть заменители диодных мостов на полевиках. Такую защиту от переполюсовки рекомендуют в системах PoE. Там существует ограничение на мощность потребителя и рассеивать «лишние» Ватты на диодах расточительно. Ещё одна сфера применения взрывоопасные системы где есть ограничения на локальный нагрев. Ну и другие случаи когда стоимость полевика не так уж и важна или приобретаемая выгода гораздо больше.
                                          0
                                          Мда, как раз в последние 8 лет плотно приходится работать с взрывозащищёнными решениями. Полностью в Вами согласен.
                                          • UFO just landed and posted this here
                                              +1
                                              > Так же есть заменители диодных мостов на полевиках.

                                              Не подскажете по какому волшебному словосочетанию их правильнее всего искать в поисковиках?
                                                +1
                                                У Linear это PoE ideal diod bridge.
                                                У Fairchild Green Bridge
                                                Microsemi — ideal bridge
                                              0
                                              А можно создать устройство, которое бы определяло, что ток идёт неправильно и крутило бы ротор, который бы замыкал контакты наоборот?
                                                +1
                                                Конечно, причем не обязательно на роторе, можно и на тех же транзисторах или на реле.
                                                  0
                                                  Диодный мост вкорячить. Можно попробовать на этих же сборках скреативить.
                                                0
                                                У знакомых в частном доме была ситуация: после ремонта электрики подали на оба провода 380V. То есть совсем без земли и завышенное напряжение. Сгорело множество аппаратуры в и у моих знакомых, и в соседних домах. Можете посоветовать что-то для такого случая?
                                                  +1
                                                  Поставьте реле напряжения. (не реклама)
                                                    0
                                                    Спасибо! Есть ли что-то подобное на весь дом сразу?
                                                      0
                                                      Можно и на весь дом сразу. Выбор устройства зависит от мощности и количества фаз. Можно посмотреть и других производителей.
                                                        0
                                                        Там же есть варианты да DIN рейку. Ставите в щиток и радуетесь, есть аж на 80А.
                                                    +2
                                                    Ненавижу когда уводят контент без цитирования оригинала. Оригинал здесь. Более информативно но по Английски.
                                                      0
                                                      Было бы неплохо обозреть все виды защит, а не только диод и транзистор. Я предпочитаю просто ставить диод в обратном направлении параллельно с нагрузкой, при обратной полярности он устраивает КЗ и пережигает предохранитель/дорожку. По цене как диод, потерь на рассеяние нет, но минус — одноразовый, если у источника нет своей защиты от КЗ. А так было бы неплохо сделать более глобальную статью про защиты от переполюсовки, импульсных перенапряжений и статики.
                                                        0
                                                        А так было бы неплохо сделать более глобальную статью про защиты от переполюсовки, импульсных перенапряжений и статики.

                                                        Слишком компотно получилось-бы и методы разные. 1 и 2 — большая/средняя мощность, 3 — малая. 1 — малые напряжения и большие токи (КЗ батарейки обратным диодом, например), 2 — высокие напряжения и средние-большие токи, 3 — высокие напряжения и мизерные токи.
                                                        Разве что ссылок накидать на английском.
                                                        +1
                                                        Ставим самовосстанавливающиеся предохранители и TVS диоды. Получаем защиту и от переполюсовки и от перенапряжения. Раньше ставили мосфет в обратном включении, но от перенапряжения не спасает.
                                                          0
                                                          Действительно неплохой метод.
                                                          0
                                                          Чего то я не пойму. У вас на схеме транзистор p-типа. Я взял IFR3205, который вроде как n-типа (стрелочка к затвору).

                                                          По идее должна полярность измениться, т.е. на средний вывод (drain) мне нужно подать минус (вам плюс). Но почему то у меня полярность в точности совпала с той, что на вашей схеме. Нагрузку подключил к 1 (gate) и 3 (source) выводу, плюс ко 2 (drain), минус к 1 (gate). Если сменить полярность — нагрузка не работает.

                                                          Как такое может быть? Или в доке ошибке и IFR3205 — это p-типа, или ошибка в схеме.
                                                            0
                                                            IFR3205 это n тип, FQP47P06 p тип. Ошибок в схеме нет. Если хотите задать вопрос, то сопроводите его пожалуйста вашей схемой подключения.

                                                          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.