Схемы защиты от переполюсовки питания и КЗ в нагрузке с низким падением напряжения

Простая защита электронных устройств от неправильного подклю­чения плюса и минуса источника питания, а также от превышения тока или короткого замыкания в нагрузке. Как уменьшить потери напряжения в устройствах защиты с измерительным шунтом?

На страницах сайта мы довольно много материала посвящаем разнообразным ис­точникам питания, а также всевозможным схемам защиты, позволяющим повысить надёжность как самих БП, так и подключаемых к ним электронных устройств.

В рамках данной статьи основное внимание будет уделено вопросам минимизации падения напряжения на устройствах защиты. Это, с одной стороны, снимает ряд проблем при запитывании устройств от низковольтных источников, а с другой, позволяет достичь максимальной эффективности при работе с высокими токами нагрузки, независимо от величины приложенных напряжений питания.

Узлами защиты от переполюсовки снабжаются практически все промышленные устройства, работающие от аккумуляторов или внешних адаптеров питания. Несоблюдение требования корректного подключения клемм полярности делает устройство временно неработоспособным, но зачастую (или вернее "как правило") приводит к его мгновенному выходу из строя.

Схемы защиты от превышения тока или короткого замыкания в нагрузке также непременно входят в джентельменский набор уважающих себя производителей блоков питания, что позволяет избежать серьёзных проблем при настройке или сбое подключенной к БП радиоэлектронной аппаратуры.

Рис.1 Схема защиты от переполюсовки, КЗ и превышения тока нагрузки

Схема, изображённая на Рис.1, предназначена для устройств с относительно низким напряжением питания, верхняя граница которого не должна превышать допусти­мых значений используемых транзисторов Vgs (как правило – ±20 В).

Также величина напряжения питания накладывает ограничение на параметр порогового напряжения затвор-исток транзисторов (Vgs), которое должно быть, как минимум в два, а лучше в 3 раза ниже, чем Еп.

Максимальный ток стока выбранных полевых транзисторов (Id) должен превышать максимальный ток нагрузки, а максимальное напряжение сток-исток (Vds) – максимальное напряжение источника питания.

Ну и последняя характеристика MOSFET-а, которую необходимо учитывать при выборе транзистора – это сопротивление канала в открытом состоянии (Rds_on). Для того чтобы в приведённой схеме уложиться в значение падения напряжения менее 200 мВ, параметр Rds_on не должен превышать значения 0.1 Ом.

А теперь – по схеме:
На транзисторе Т1 выполнен узел защиты от переполюсовки питания. Несмотря на схемотехническую простоту, его алгоритм работы не так очевиден, как кажется. Поэтому для желающих досконально разобраться в работе этой схемы предлагаю посетить страницу, на которой мы подробно рассмотрели принцип работы данной защиты.

На транзисторе Т2 и компараторе IC1 построена простейшая, но расхожая схема защиты от КЗ и превышения тока. Простейшая – потому что не содержит какого-либо триггерного устройства, полностью отключающего нагрузку при превышении заданной величины тока и требующего повторного включения после устранения причины перегрузки.
При превышении некоего установленного значения выходного тока транзистор Т2 переходит в режим генератора тока, и как бы мы не уменьшали сопротивление нагрузки, ток больше увеличиваться не будет, зато будет уменьшаться выходное напряжение вплоть до нуля при коротком замыкании. При этом транзистор, будучи переведённым из ключевого режима в аналоговый, начнёт нагреваться, рассеивая в виде тепла мощность, равную произведению тока срабатывания на напряжение питания. Поэтому наличие плавкого предохранителя, который пусть и с задержкой, но сработает при превышении тока, в таких простейших устройствах защиты – весьма желательно.
Если кто-то сочтёт данный принцип работы защиты неоптимальным, то в конце статьи опишем альтернативный вариант, а пока – как это всё функционирует:

Для измерения тока используется шунт – резистор R6 номиналом 0.1 Ом. Падение напряжения на нём соответствует протекающему через нагрузку току в пропорции:
U_R6 = I_n × R6.
Величина этого напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора IC1, сравнивается со значением опорного напряжения (на инвертирующем входе IC1), которое при указанных на схеме номиналах элементов (R1, R2, R3, D1) составляет около 0.1 В. Именно величина этого опорного напряжения определяет порог срабатывания защиты, которая включается в тот момент, когда ток нагрузки создаст на R6 падение напряжения, равное опорному. Таким образом можно легко посчитать, что ток срабатывания защиты в нашем случае составляет:
I_n = U_R6 / R6 = 0.1(В) / 0.1 (Ом) = 1 А.
Именно при таком токе нагрузки низкий уровень напряжения на выходе компаратора изменится на высокий, а транзистор Т2 переключится из полностью открытого состояния в режим стабилизации тока. В этот момент напряжение на выходе схемы защиты окажется тем меньше, чем ниже сопротивление нагрузки и будет равным нулю при КЗ на выходе.

Значение опорного напряжения 0.1 В – это в 6...7 раз меньше, чем у схем защиты, в которых в качестве порогового элемента используется транзистор. В такое же количество раз уменьшается и падение напряжения на резисторе схемы защиты, повышая тем самым эффективность использования низковольтных источников и КПД при высоких токах нагрузки. А учитывая тот факт, что ток срабатывания защиты настраивают на величину, как правило, двухкратно превышающую рабочие токи, то 0.05 В падения напряжения на защите от КЗ плюс 0.05 В на защите от переполюсовки (при Rds_on = 0.1 Ом) суммарно выдадут на рабочем токе 0.1 В потерь, что вполне приемлемо даже при 3-вольтовом питании.
Добиваться дальнейшего уменьшения опорного напряжения нецелесообразно из-за опасности ложных срабатываний, связанных с неидеальностью характеристик компараторов, а также вероятностью появления помех в цепях питания и земли.

На Рис.2 приведена схема защиты для напряжений питания, превышающих 20 В.

Рис.2 Схема защиты от переполюсовки и КЗ при Еп > 20 В

Здесь, по большому счёту, всё идентично предыдущей схеме, а основные отличия заключаются в наличии защитных стабилитронов, предотвращающих превышение допустимых значений напряжений затвор-исток MOSFET-ов (не более 20 В).

И последняя схема защиты, изображённая на Рис.3, реализует принцип "защёлки", т. е. полного отключения нагрузки при превышении заданного значения тока.

Рис.3 Схема защиты от переполюсовки, превышения тока и КЗ с защёлкой

Здесь при срабатывании защиты, т. е. в тот момент, когда уровень напряжения на выходе компаратора переключается с низкого на высокий, открывается транзистор Т3, шунтируя источник опорного напряжения на землю. При этом близкое к нулю опорное напряжение определяет и близкий к нулю выходной ток схемы защиты после её срабатывания.
После устранения причин неисправности питание необходимо будет выключить (если этого ещё не сделано) и заново включить.

При намерении ввести "защёлку" в устройства с низким напряжением питания, схема, приведённая на Рис.1, остаётся в силе, и к ней точно также добавляется транзистор Т3 с обвязкой (С1, D2, R5), как это показано на Рис.3.

Если необходимо изменить порог срабатывания защиты, то опорное напряжение лучше не трогать, а необходимое значение тока установить подбором резистора R8.