Схема коррекции полярности защищает устройства с батарейным питанием
В опубликованной ранее статье описывалась схема защиты от переполюсовки [1], обеспечивающая правильное подключение батареи к нагрузке независимо от ориентации батареи в держателе. Схема, основанная на низковольтной КМОП микросхеме быстродействующего аналогового коммутатора MAX4636, работала, но имела некоторые недостатки. У нее был несколько ограниченный диапазон напряжений источника питания (1.8 – 5.5 В) и немного высокое внутреннее сопротивление, что ограничивало ее применение устройствами со скромными токами нагрузки, не превышающими 30 мА. К счастью, теперь эти ограничения можно преодолеть благодаря существенным достижениям в технологии MOSFET.
На Рисунке 1 показана схема защиты нагрузки от переполюсовки батареи с использованием p-канального MOSFET. Обычно, чтобы включить p-канальный MOSFET, необходимо подать соответствующее напряжение между затвором и истоком (потенциал вывода затвора должен быть отрицательным относительно вывода истока). Показанный на Рисунке 1 p-канальный MOSFET включен немного по-другому и работает следующим образом.
| Рисунок 1. | Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью p-канального MOSFET. |
Когда питание подано на клеммы A и B (клемма A – положительная, B – отрицательная), внутренний диод D1 транзистора открыт и обеспечивает управляющее напряжение между затвором и истоком Q1, открывающее транзистор. Низкое сопротивление открытого MOSFET шунтирует диод D1 и обеспечивает питание нагрузки.
Когда полярность подключения батареи противоположна, напряжение подается на клеммы A и B (теперь клемма A – отрицательная, а B – положительная), и внутренний диод D1 транзистора закрыт, поэтому напряжение затвор-исток Q1 равно нулю. В результате транзистор Q1 закрыт, и ток в нагрузку не течет.
Другими словами, p-канальный MOSFET Q1 в этой схеме ведет себя как диод (то есть как виртуальный «D2») с очень низким прямым пороговым напряжением. Аналогичным образом можно использовать n-канальный MOSFET (Рисунок 2).
| Рисунок 2. | Эта схема защищает нагрузку от переполюсовки батареи с помощью n-канального MOSFET. |
Когда клемма A положительна, а клемма B отрицательна, внутренний диод D1 смещается в прямом направлении, обеспечивая между затвором и истоком Q1 управляющее напряжение, открывающее транзистор. Низкое сопротивление открытого MOSFET шунтирует диод D1 и обеспечивает питание нагрузки.
Когда полярность подключения батареи к клеммам A и B противоположна, (клемма A – отрицательная, B – положительная), внутренний диод D1 смещен в обратном направлении, и напряжение между затвором и истоком транзистора равно нулю. MOSFET Q1 закрыт, и ток в нагрузку не течет.
Схемы, показанные на Рисунках 1 и 2, могут использоваться для защиты нагрузки от переполюсовки батареи вместо обычной диодной защиты, но не могут питать нагрузку, если батарея установлена неправильно.
Когда батарея установлена, как показано на Рисунке 3, к истоку p-канального транзистора Q2 через смещенный в прямом направлении внутренний диод D2 приложен положительный потенциал. Поэтому затвор Q2 оказывается подключенным к отрицательной клемме батареи, и Q2 открыт. Отрицательная клемма батареи подключена к истоку n-канального транзистора Q3 через его внутренний диод D3, смещенный в прямом направлении. В этих условиях Q3 включается, поскольку его затвор находится под потенциалом положительной клеммы батареи. В результате при такой ориентации батареи транзисторы Q2 и Q3 активны и подают напряжение батареи на нагрузку, в то время как Q1 и Q4 остаются выключенными.
| Рисунок 3. | Эта схема обеспечивает питание нагрузки при любой полярности установки батареи. |
В следующем сценарии батарея установлена в противоположной ориентации. Теперь к истоку p-канального транзистора Q4 через его прямосмещенный внутренний диод D4 приложен положительный потенциал. Поскольку затвор Q4 находится под потенциалом отрицательной клеммы батареи, транзистор открыт. Внутренний диод D1 транзистора Q1 смещен в прямом направлении, позволяя истоку n-канального MOSFET Q1 подключиться к отрицательному контакту батареи. В то же время затвор Q1 имеет потенциал положительного контакта батареи, поэтому Q1 включен. Поскольку оба транзистора Q1 и Q4 открыты, батарея подключена к нагрузке, в то время как Q2 и Q3 закрыты.
Обратите внимание, что эта конструкция поддерживает функцию безопасности, основанную на использовании внутренних диодов MOSFET. Диоды транзисторов Q1 – Q4 образуют полномостовой выпрямитель. В случае повреждения MOSFET диодный мост все равно может выпрямлять входное напряжение, тем самым, обеспечивая правильную полярность питания нагрузки.
Дополнение
Схема, показанная на Рисунке 3, предназначена для использования с относительно низкими напряжениями, не превышающими максимально допустимых напряжений затвор-исток n- и p-канальных MOSFET, значения которых обычно составляют ±15 – 20 В. Для приложений, требующих более высоких напряжений батареи, схему на Рисунке 3 следует изменить, чтобы защитить затворы MOSFET, как показано на Рисунке 4.
| Рисунок 4. | Защита промежутков затвор-исток MOSFET. |
Для защиты затворов MOSFET в схему добавлены стабилитроны D5 – D8. Резисторы R1 и R2 предназначены для ограничения тока. В большинстве случаев значения напряжений стабилизации стабилитронов D5 – D8 должны находиться между 12 и 13 В. Этого достаточно, чтобы каналы включенных MOSFET имели минимальные сопротивления. Сопротивления R1 и R2 (R1 = R2 = R) можно рассчитать следующим образом:
VBATT – напряжение батареи,
RDS-ON – сопротивление сток-исток включенного MOSFET,
ILOAD – ток нагрузки,
VZEN – напряжение обратного пробоя стабилитрона,
IZEN – рабочий ток стабилитрона.
Пара слов о «полярности» переменного напряжения
Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они предоставляют удобный метод символьной записи сдвига фаз между параметрами переменного тока, такими как напряжение и ток.
Однако большинству людей нелегко понять эквивалентность абстрактных векторов и реальных параметров схемы. Ранее в данной главе мы видели, как источники переменного напряжения задаются значениями напряжения в комплексной форме (амплитуда и угол фазы), а также обозначением полярности.
Поскольку у переменного тока нет параметра «полярности», как у постоянного тока, эти обозначения полярности и их связь с углом фазы могут вводить в заблуждение. Данный раздел написан с целью, прояснить некоторые из этих вопросов.
Напряжение, по своей сути, – относительная величина. Когда мы измеряем напряжение, у нас есть выбор, как подключить вольтметр или другой измерительный прибор к источнику напряжения, поскольку есть две точки, между которыми существует разность потенциалов, и два измерительных щупа у прибора, которые необходимо подключить.
В цепях постоянного тока мы явно обозначаем полярность источников напряжения и падений напряжения, используя символы "+" и "-", а также используем измерительные щупы с цветовой маркировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное постоянное напряжение, мы знаем, что его измерительные щупы подключены «обратно» напряжению (красный провод подключен к "-", а черный провод – к "+").
Полярность батарей обозначается специфичными для них символами: короткая линия батареи всегда является отрицательной (-) клеммой, а длинная линия – всегда положительной (+):
Рисунок 1 – Общепринятое обозначение полярности батареи
Хотя было бы математически правильно представить напряжение батареи в виде отрицательного значения с обозначением обратной полярности, но это было бы явно необычно:
Рисунок 2 – Совершенно нестандартное обозначение полярности
Интерпретация таких обозначений могла бы быть проще, если бы обозначения полярности "+" и "-" рассматривались как контрольные точки для измерительных щупов вольтметра, "+" означал бы «красный», а "-" означал бы «черный». Вольтметр, подключенный к указанной выше батарее красным щупом к нижней клемме и черным щупом к верхней клемме, действительно будет указывать отрицательное напряжение (-6 вольт).
На самом деле, эта форма обозначения и интерпретации не так уж необычна, как вы могли подумать: она часто встречается в задачах анализа цепей постоянного тока, где знаки полярности "+" и "-" сначала рисуются согласно обоснованному предположению, а затем интерпретируются как правильные или «обратные» в соответствии с математическим знаком рассчитанного значения.
Однако в цепях переменного тока мы не имеем дело с «отрицательными» значениями напряжения. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение совпадает или не совпадает с другим по фазе: т.е. по сдвигу по времени между двумя сигналами. Мы никогда не описываем переменное напряжение как отрицательное по знаку, потому что возможность полярной записи позволяет векторам указывать в противоположных направлениях.
Если одно переменное напряжение прямо противоположно другому переменному напряжению, мы просто говорим, что одно напряжение на 180° не совпадает по фазе с другим.
Тем не менее, напряжение между двумя точками является относительным, и у нас есть выбор, как подключить прибор для измерения напряжения между этими двумя точками. Математический знак показаний вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключений его измерительных щупов: к какой клемме подключен красный щуп, а к какой клемме подключен черный щуп.
Кроме того, угол фазы переменного напряжения имеет значение только в контексте знания, какая из этих двух точек считаются «опорной». Поэтому, чтобы дать заявленному углу фазы точку отсчета, на схемах часто указываются обозначения полярности "+" и "-" на клеммах переменного напряжения.
Показания вольтметра при подключении измерительных щупов
Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Во-первых, связь между подключением измерительных щупов со знаком на показаниях вольтметра при измерении постоянного напряжения:
Рисунок 3 – Цвета измерительных щупов служат ориентиром для интерпретации знака (+ или -) показаний измерительного прибора
Математический знак на дисплее цифрового вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов. Рассмотрим возможность использования вольтметра постоянного напряжения для определения того, складываются ли два источника постоянного напряжения друг с другом или вычитаются друг из друга, предполагая, что на обоих источниках нет маркировки их полярности.
Использование вольтметра для измерения на первом источнике:
Рисунок 4 – Положительные (+) показания указывают, что черный – это (-), красный – это (+)
Этот результат первого измерения +24 на левом источнике напряжения говорит нам, что черный провод вольтметра действительно подключен к отрицательной клемме источника напряжения № 1, а красный провод вольтметра действительно подключен к положительной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №1 – это батарея, включенная следующим образом:
Рисунок 5 – Полярность источника 24 В
Измерение другого неизвестного источника напряжения:
Рисунок 6 – Отрицательные (-) показания указывают, что черный – это (+), красный – это (-)
Второе измерение вольтметром показало отрицательные (-) 17 вольт, что говорит нам о том, что черный измерительный щуп на самом деле подключен к положительной клемме источника напряжения № 2, а красный измерительный провод подключен к отрицательной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №2 – это батарея, включенная в противоположную сторону:
Рисунок 7 – Полярность источника 17 В
Для любого, знакомого с постоянным током, должно быть очевидно, что эти две батареи противодействуют друг другу. Противоположные напряжения, априори, вычитаются друг из друга, поэтому, чтобы получить общее напряжение на обоих батареях, мы вычитаем 17 вольт из 24 вольт и получаем 7 вольт.
Но мы могли бы изобразить два источника в виде невзрачных прямоугольников, помеченных точными значениями напряжений, полученными с помощью вольтметра, и маркировкой полярности, указывающей на положение измерительных щупов вольтметра:
Рисунок 8 – Показания вольтметра, как они отображались на нем
Важность маркировки полярности
В соответствии со схемой на рисунке 8 (выше) обозначения полярности (которые указывают на положение измерительного щупа вольтметра) указывают, что источники складываются друг с другом. Источники напряжения складываются друг с другом, чтобы сформировать общее напряжение, поэтому мы добавляем 24 вольта к -17 вольтам, чтобы получить 7 вольт: всё еще правильный ответ.
Если мы позволим маркировке полярности определять наше решение, складывать или вычитать значения напряжения (независимо от того, представляют ли эти маркировки полярности истинную полярность или только положение измерительного провода вольтметра), и включим математические знаки этих значений напряжений в наши расчеты, результат всегда будет правильным.
Опять же, маркировка полярности служит ориентиром для размещения математических знаков значений напряжений в правильном контексте.
То же самое верно и для переменного напряжения, за исключением того, что математический знак заменяется углом фазы. Чтобы связать друг с другом несколько переменных напряжений с разными углами фазы, нам нужна маркировка полярности, чтобы обеспечить систему отсчета для углов фаз этих напряжений.
Возьмем, к примеру, следующую схему:
Рисунок 9 – Угол фазы заменяет знак ±
Маркировка полярности показывает, что эти два источника напряжения складываются друг с другом, поэтому для определения общего напряжения на резисторе мы должны сложить значения напряжения 10 В 0° и 6 В ∠ 45° вместе, чтобы получить 14,861 В 16,59 °.
Однако было бы вполне приемлемо представить 6-вольтовый источник как 6 В 225°, с обратной маркировкой полярности, и при этом получить такое же общее напряжение:
Рисунок 10 – Переключение проводов вольтметра на источнике 6 В изменяет угол фазы на 180°
6 В 45° с минусом слева и плюсом справа – это точно то же самое, что 6 В ∠ 225 ° с плюсом слева и минусом справа: изменение маркировки полярности идеально дополняет добавление 180° к значению угла фазы:
Рисунок 11 – Изменение полярности добавляет 180° к углу фазы
В отличие от источников постоянного напряжения, где полярность определяется символами из линий, у переменных напряжений нет собственного обозначения полярности. Следовательно, любые знаки полярности должны быть включены в качестве дополнительных символов на схему, и не существует единственного «правильного» способа их размещения.
Однако они должны коррелировать с заданными углами фаз, чтобы представлять истинное фазовое соотношение одного напряжения с другими напряжениями в цепи.
Зачем менять полярность в переменном токе?
Как минимум это удобно в плане того, что можно передавать по ЛЭП сотни килоВольт, а затем трансформаторами приводить к обычным 0.4 кВ. Трансформатор относительно прост и не требует электроники.
С постоянкой такой фокус не прокатит. Даже на несколько кВ найти полупроводники уже геморрой.
А передавать низкое напряжение не прокатит, т.к. сверхпроводники еще в каждый дом не проложили, а без них тысячи Ампер не пропустить до потребителей. 🙂
Да и генератором проще сразу переменку делать.
Электродвигатели на переменке проще и не требуют к себе столько внимания, сколько щеточные на постоянке. (Хотя сейчас уже все это несколько меняется, но раньше очень даже актуально было)
Для чего нужно изменять полярность подключения питания
Не редко даже опытные электронщики допускают ошибки при подключении источника питания к электронным устройствам, происходит это конечно же не из — за отсутствия определенных навыков и знаний, а часто из — за спешки или не внимательности. Феномен известный — переполюсовка, и для приборов питающихся постоянным напряжением частенько такое включение бывает фатальным.
Многие производители устройств питающихся от отдельного источника питания (например: автомобильные усилители, автомагнитолы, портативные телевизоры и мониторы и др.) применяют защиту от переполюсовки в своих устройствах, как правило это обычный диод включенный по входу после предохранителя рис. 1., в таких устройствах после переполюсовки сгорает предохранитель и как правило пробивает защитный диод, на исправление ошибки уже потребуется потратить время хоть и не много.
Минусов в этой схеме не мало, и зачастую "псевдо мастера" пытаются починить это все по месту и с гвоздем вместо предохранителя все же дожигают устройство. .
Другое дело если бы устройство питалось от любой полярности, то есть само коммутировало себе питание, своеобразная "защита от дураков" — если так можно сказать. Первое что приходит на ум это конечно старый добрый диодный мост на входе в устройство рис. 2.
Такое устройство будет питаться от любой полярности, ну и конечно же и от переменного и импульсного тока тоже, как видно на схеме выше, при питании от разной полярности ток просто протекает через определенный диод, и как не подключай питание — устройство будет работать, и страшного ничего не произойдет. Но конечно же в этой схеме есть и существенные недостатки: статические потери при протекании токов, от сюда и потеря напряжения и выделение существенного тепла, поэтому применять такую схему можно только для устройств с малым током потребления.
Вариант улучшенной схемы коммутатора питания показан на рис.3, здесь вместо диодов применяются MOSFET-транзисторы, два P-канальных и два N-канальных, поскольку сопротивление сток-исток в открытом состоянии (RDS(on)) ничтожно мало, а транзисторы после включения постоянно в одном состоянии, то и потери в этой схеме просто мизерные. Нагрева в режиме ключа так же по понятным причинам нет.
Рассмотрим как работает схема, при подаче питания, напряжение через резисторы R1, R2 попадает на затворы VT1, VT2, VT3, VT4, а поскольку P-канальные транзисторы открываются отрицательным напряжением, N-канальные положительным, у нас в зависимости от полярности питания откроется пара VT1, VT4 или VT2, VT3 в обоих случаях на анодах VD1, VD3 будет минус , а на катодах VD2, VD4 плюс питания. Таким образом получаем автоматический коммутатор входной полярности.
Теперь о деталях: Транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4, выбираются в зависимости от напряжения питания и тока потребителя, собственно схему можно выполнить вообще без стабилитронов и резисторов в случае если питающее напряжение не превышает максимально допустимое напряжение на затворах. Стабилитроны VD1, VD2, VD3, VD4 — ограничивают максимальное напряжение на затворах, их значение должно быть близко к максимальному напряжению затворов, но не превышать его. Резисторы R1, R2 токоограничивающие, их сопротивление можно рассчитать по формуле
R = (Uвх-Uстаб.) / Iстаб.
Где:
R — сопротивление резисторов в кОм
Uвх. — максимальное напряжение на входе
Uстаб. — напряжение стабилизации стабилитронов
Iстаб. — макс. ток стабилизации стабилитрона
Решение об обоснованности применения той или иной цепи в своих устройствах как правило принимает конструктор, но порой достаточно простая защита может избавить от многих бед при наладке и использовании устройств.