Odwrotna polaryzacja – metody zabezpieczeń

Jak ważne jest prawidłowe podłączenie zasilania do układu wie chyba każdy elektronik. Jednak błędy się zdarzają, i to każdemu. Podczas projektowania układu często zachodzi potrzeba odłączania i ponownego podłączania zasilania, dodajmy do tego chwilę rozkojarzenia, szczyptę rutyny i problem gotowy. Dlatego już na etapie projektowania powinniśmy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie się przed takim omyłkowym podłączeniem „plusa do minusa”.

Sposobów na zabezpieczenie układu elektronicznego przed skutkami odwrotnie podłączonego zasilania jest wiele. Od najprostszych wykorzystujących jedną diodę prostowniczą, przez diody schottkiego, transile, mostki Graetza a na tranzystorach mosfet kończąc. Każda metoda oczywiście posiada swoje plusy i minusy, co sprawia, że to my jako konstruktorzy musimy dobrać optymalne rozwiązanie do aktualnie budowanego układu. Przedstawię tutaj kilka popularnych metod radzenia sobie z problemem zamiany biegunowości, rozważymy ich wady i zalety oraz zastanowimy się kiedy warto zastosować każde z rozwiązań. Więc do dzieła!

Dioda prostownicza – prosto i skutecznie!

Zabezpieczenie układu z pomocą  diody prostowniczej przedstawia poniższy schemat:

odwrotna polaryzacja - jak się zabezpieczyc
dioda zabezpieczająca układ

Na schemacie rezystor R1 symbolizuje nasz układ (obciążenie), zaś dioda D1 to zwykła dioda prostownicza np. popularna 1N4007. Nie będę na schematach podawał konkretnych oznaczeń elementów ponieważ powinniśmy je dobrać odpowiednio do potrzeb budowanego układu.

Układ działa na bardzo prostej zasadzie. Gdy polaryzacja jest prawidłowa tzn. do anody dołączony jest plus zasilania a do katody minus – prąd płynie normalnie. Jeżeli zasilanie zostanie podłączone odwrotnie, dioda zostanie spolaryzowana zaporowo i nie będzie przepuszczać prądu. Układ taki jest prosty w aplikacji i nie wymaga dużej ingerencji w układ ale ma jeden poważny minus – spadek napięcia na przewodzącej diodzie równy ok. 0,7V – 0,8V. Przy zasilaniu  urządzenia z transformatora spadek jest jak najbardziej do przyjęcia, jednak gdy układ chcemy zasilać z baterii nie będzie to najlepsze rozwiązanie. W dalszej części artykułu dowiesz się jak temu zaradzić.

Dioda Schottky’ego – zmniejszamy spadek napięcia!

Zmienimy teraz delikatnie nasz schemat, a mianowicie wymienimy zwykłą diodę krzemową na diodę schottky’ego. Nasz schemtat wygląda teraz tak :

odwrotna polaryzacja - jak się zabezpieczyc
dioda schottky’ego jako zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją

Układ ten działa dokładnie na tej samej zasadzie co poprzedni z tą małą różnicą, że zniwelowaliśmy spadek napięcia na diodzie do około 0,2V – 0,3V zależnie od użytej diody oraz temperatury jej pracy. Takie rozwiązanie już dużo lepiej nadaje się do urządzeń zasilanych bateriami. Zmniejsza się również ilość wydzielanego ciepła na diodzie w porównaniu do diody krzemowej. Zobaczmy to na przykładzie – załóżmy że mamy urządzenie pobierające jeden amper prądu :

  • Dla diody krzemowej: P = 1A * 0,8V = 0,8W
  • Dla diody Schottky’ego: P = 1A * 0,3V = 0,3W

Jak widać różnica jest spora, a gdy zwiększymy pobierany prąd różnica ta jeszcze się uwydatni. Ale żeby nie było zbyt kolorowo takie zabezpieczenie na też swoje wady. Diody schottky’ego przepuszczają prąd wsteczny w dużo większym stopniu niż diody krzemowe, efekt ten uwydatnia się wraz ze wzrostem temperatury – w większości zastosowań amatorskich można ten aspekt pominąć ale nie zawsze!

Jak widzisz udało nam się znacznie ograniczyć spadek napięcia jednak nadal on występuje. W niektórych przypadkach nie możemy pozwolić sobie nawet na tak małe straty. Zastanówmy się więc czy można skutecznie zabezpieczyć urządzenie i to bez strat napięcia?

Odwrotna polaryzacja vs bezpiecznik ?

Bezpiecznik w kwestii zabezpieczania wydaje się być oczywistością, dlaczego więc piszę o nim dopiero teraz ? Ponieważ sam bezpiecznik niewiele by w naszym problemie zaradził. No chyba, że mu trochę pomożemy! Spójrz na poniższy schemat :

odwrotna polaryzacja - jak się zabezpieczyc
zabezpieczenie bez spadku napięcia

Jak to działa? W przypadku prawidłowego podłączenia zasilania prąd popłynie normalnie, dioda będzie spolaryzowana zaprporowo więc nie dopuści do zwarcia i cały prąd popłynie grzecznie do naszego układu. I to bez żadnych strat! Jeśli jednak podłączymy zasilanie odwrotnie cały prąd popłynie przez diodę paląc przy tym bezpiecznik F1. Bezpiecznik oczywiście musimy odpowiednio dobrać do naszego projektu. Układ taki idealnie nadaje się jako proste i skuteczne zabezpieczenie urządzeń zasilanych bateriami. Wadą takiego rozwiązania jest jednak potrzeba wymiany bezpiecznika po każdym jego zadziałaniu (bezpiecznik rzecz jasna się przepala).Oczywiście można ten problem zniwelować stosując bezpiecznik polimerowy, inaczej nazywany resetowalnym ale nimi zajmiemy się w osobnym artykule.

Poznałeś już trzy sprawdzone sposoby radzenia sobie z problemem odwrotnej polaryzacji. Abyś miał większe pole do popisu podczas konstruowania swoich układów pokaże Ci jeszcze jak do rozwiązania problemu odwrotnej polaryzacji wykorzystać tranzystor polowy czyli MOSFET.

Tranzystor MOSFET jako zabezpieczenie

Z powodzeniem możemy wykorzystywać tranzystory polowe do ochrony naszych układów. Poniższy schemat przedstawia przykład takiego zabezpieczenia :

odwrotna polaryzacja - jak się zabezpieczyc
tranzystor MOSFET z kanałem typu P

Jak to działa? Na schemacie widzimy wykorzystanie tranzystora z kanałem typu P, podczas prawidłowego podłączenia biegunów zasilania bramka tranzystora będzie na niższym potencjale niż jego źródło co skutkuje otwarciem tranzystora i tym samym możliwością przepływu prądu. Jeśli podłączymy zasilanie odwrotnie to bramka tranzystora będzie znajdować się na wyższym potencjale od źródła co skutkować będzie zatkaniem tranzystora i „odcięciem” przepływu prądu przez układ.

Rozwiązanie takie sprawdzi się doskonale w urządzeniach zasilanych bateriami ze względu na bardzo mały spadek napięcia na tranzystorze. Ma również sporą przewagę nad rozwiązaniem z diodą i bezpiecznikiem – tranzystora nie musimy wymieniać po każdym nieprawidłowym podłączeniu zasilania, dodatkowo nie rozładowuje on odwrotnie podłączonej baterii.

Oczywiście do zabezpieczenia układu możemy wykorzystać tranzystor z kanałem typu N, wtedy schemat będzie wyglądał następująco :

odwrotna polaryzacja - jak się zabezpieczyc
tranzystor MOSFET z kanałem typu N

Zasada działania w tym przypadku jest praktycznie identyczna, z tą małą różnicą, że tutaj tranzystor jest włączony w układ na szynie ujemnej zasilania, a jego otwarcia dokonuje się przez podanie na bramkę potencjału wyższego niż panuje na źródle tranzystora.

Słowo końcowe

I tym sposobem doszliśmy do końca dzisiejszego artykułu. Jak pewnie zauważyłeś nie można jednoznacznie stwierdzić, które z podanych tutaj rozwiązań jest najlepsze, najwłaściwsze, uniwersalne. Każdy układ elektroniczny jest inny i to my jako konstruktorzy musimy dobierać odpowiednie rozwiązania dla naszych potrzeb. Ważne abyśmy wybierali świadomie, opierając się na wiedzy i doświadczeniu.

Oczywiście jestem świadomy tego, że nie wyczerpałem tym wpisem wszystkich możliwości walki z problemem jakim jest odwrotna polaryzacja. Jeśli masz jakieś ciekawe doświadczenia, własne rozwiązania tego problemu zapraszam do podzielenia się nimi w komentarzu. 

  • 1
    Udostępnij

Dodaj komentarz

2 komentarzy do "Odwrotna polaryzacja – metody zabezpieczeń"

avatar
  Subscribe  
najnowszy najstarszy oceniany
Powiadom o
Krzysiek
Gość

Podobają mi się twoje posty. Nie za długie i na temat.