Схемы защиты от переполюсовки на полевом транзисторе

Простая защита электронных устройств от неправильного подклю­чения плюса и минуса источника питания

Эх, говорил же дядя – не читайте до обеда советских газет! И по поводу форумов, зуб даю – не посоветовал бы. Ведь у них там как за бугром? Задаешь вопрос – получаешь ответ. А у нас? Зашёл, поинтересовался – узнал, какой ты муд..к!
Да уж, эти форумные корифеи... Забугор за такими плачет – у них там сплошное сухое содержание, а у нас еще и нерв, эмоции, да ветер в головах...

Ну да ладно, к этой теме мы ещё вернёмся в конце повествования, а пока не будем разводить бодягу, у нас этого итак много, давайте ближе к действиям.

«FET Supplies Low-Voltage Reverse-Polarity Protection» (Jim Walker) – так названа статья, опубликованная в англоязычном издании «Electronic Design News (EDN)» и переведённая в интернет-журнале, а по совместительству форуме – Радиолоцман.
Приведём содержание этого короткого материала:

Полевой MOSFET транзистор в низковольтных схемах защиты от обратной полярности

Когда требуется защитить схему от случайной переполюсовки источника питания, обычно используется последовательный диод (Рисунок 1а). Однако, если входное напряжение низкое – скажем, это две или три батареи AA, то дополнительное уменьшение напряжения питания на 0.5 В (падение на диоде Шоттки) может значительно сократить полезное время работы батарей. Функцию диода, но со значительно более низким падением напряжения, может выполнять полевой MOSFET транзистор (Рисунок 1б).



Рис.1 Схемы защиты от переполюсовки на n либо p-канальном MOSFET-е

По сравнению с диодом схема на MOSFET-е имеет намного меньшее падение напряжения Рис.1(б). Если требуется защита в нижнем плече схемы, можно использовать n-канальный MOSFET (в). Добавление резистора и конденсатора обеспечивает функцию «плавного включения» (г).

В устройстве использовался сдвоенный p-канальный транзистор IRF7342, оба прибора которого были включены параллельно, и источник питания 3 В. При токе нагрузки 100 мА падение напряжения было равно 100 мВ.
При входном напряжении 4.5 В и токе нагрузки 100 мА потери составили всего 50 мВ.
Если включить защиту в нижнее плечо схемы, можно использовать сдвоенный n-канальный MOSFET IRF7341, также соединив транзисторы параллельно, как это показано на Рис.1в.
При напряжении питания 3 В и токе нагрузки 100 мА потери составляют 40 мВ.
При входном напряжении 4.5 В и токе нагрузки 100 мА на этой схеме падает всего 25 мВ.

Для того чтобы добавить функцию «плавного включения», потребуется лишь один дополнительный конденсатор и один резистор (Рис.1г). Указанные на схеме номиналы компонентов добавляют к задержке включения примерно 100 мс, поскольку переход MOSFET из выключенного состояния в полностью включенное происходит в режиме, близком к линейному.

Jim Walker Electronic Design, March, 2005


Ёлы-палы, ну не ожидал Джим попасть в русскоязычные просторы, не разжевал инфу до атомов. Допустим, не такой у него рот, что может себе позволить, но он же старался, диоды внутри транзисторов рисовал. Думаешь, охота было ему потеть и калории на это дело тратить? Ась?! Или у него лишних сто кило, как у того барана курдючного?..

Короче, не врубилось сообщество в схемы и там-сям зашуршали "авторитетные" голоса на заданную тему – сначала с Радиолоцмана:
— Народ! А ничего странного в том, что все транзисторы на схемах наизнанку? При таком включении весь ток нагрузки будет течь через встроенный диод, а транзисторы всегда заперты.
А затем засопела скованная общим интересом братва с паяльника (cxem.net):
— Вот такая простенькая схемка...
— Это глупость, а не схемка.
— Также склоняюсь к этой мысли...
— То есть заместо полевого транзистора всё же лучше поставить диод шоттки?
— Ставь шоттки и не морочь голову себе и людям.
— Можно ещё на реле и диоде...

Сначала хотел написать – да тут всё просто, как ситцевые трусы, а потом подумал-подумал и рассудил: нет, надо-таки разъяснить работу схемы, тем более есть куда.

Действительно, транзисторы в приведённом устройстве включены не совсем по учебнику и ток между стоком и истоком у них течёт в обратном (по отношению к стандартной конфигурации) направлении. С другой стороны, полевику фиолетово, в какую сторону пропускать ток, и, в первую очередь, это касается работы в ключевых режимах. То есть, обеспечив уровень напряжения между затвором или истоком, превышающий порог его открытия, мы получим проводящий элемент с сопротивлением Rси (приводится в характеристиках на транзистор). Если это напряжение понизить ниже уровня открывания, то транзистор закроется и отключит нагрузку от питания.

Что касается диода, то он может быть как чисто паразитным (диод, образованный внутренней структурой MOSFET-а и обладающий плохими характеристиками), так и защитным диодом Шоттки, включённым параллельно паразитному. Узнать о наличии/отсутствии такого диода можно по параметру Diode Forward Voltage в документации: у паразитного это значение около 1V, у защитного должно быть не более 0.5V. В последнем случае бояться пережечь диод не стоит, т. к. допустимый ток через него близок к максимальному току транзистора.

Рассмотрим работу защиты на примере схемы, изображённой на Рис.1б.
В момент включения питания напряжение затвор-исток равно нулю и, если бы не диод, то таким бы и оставалось, не давая транзистору открыться и пропустить ток в нагрузку.
Наличие же положительно смещённого диода позволяет току дойти до нагрузки и установить на ней (а соответственно, и на истоке транзистора) напряжение, примерно равное +Епит – 0.5 В. Если значение этого напряжения превышает порог открывания транзистора, то он таки откроется и замкнёт диод, уменьшив падение напряжения на нём тем сильнее, чем ниже его сопротивление Rси в открытом состоянии и выше +Епит.
При смене полярности питания, диод будет закрыт, Uзи = 0 (т. е. транзистор тоже закрыт), что среди суперпрофессионалов означает – ток в нагрузку не потечёт.

Если напряжение источника питания превышает 20 В, то необходимо позаботиться о сохранности полевика. Для этого его затвор надо подключить к шине питания не напрямую, а через резистор, а между затвором и истоком включить стабилитрон на 15...18 вольт, чтобы напряжение Uзи не выходило за допустимые для MOSFET-а пределы (см. Рис.2).

Рис.2 Схемы защиты от переполюсовки при Еп > 20 В

На рисунке слева направо показаны схемы защиты, работающие при напряжениях питания, превышающих 20 вольт: 1) на p-канальном MOSFET-е, 2) на p-канальном MOSFET-е, где функцию ограничения напряжения на затворе выполняет резистив­ный делитель (экономичный вариант), 3) на n-канальном MOSFET-е.

И в завершение немного фактов для тех, кто думает, что импортный полевик – это всегда дорого и будет сильно удивлен, если себе такое позволит. К примеру, p-канальный транзистор AO3423A (с пороговым напряжением 1 В и максимальным током стока 2 А) стоит в chipdip-е менее 10 целковых и должен вполне сносно работать в приведённых схемах при напряжениях питания от 2...2,5 вольт.