Понижение напряжения диодами: Как понизить напряжение переменного и постоянного тока?

Содержание

Как понизить напряжение переменного и постоянного тока?

За счет наличия большого количества международных стандартов и технических решений питание электронных устройств может осуществляться от различных номиналов. Но, далеко не все они присутствуют в свободном доступе, поэтому для получения нужной разности потенциалов придется использовать преобразователь. Такие устройства можно найти как в свободной продаже, так и собрать самостоятельно из радиодеталей.

В связи с наличием двух родов электрического тока: постоянного и переменного, вопрос,  как понизить напряжение, следует рассматривать в  ключе каждого из них отдельно.

Понижение напряжения постоянного тока

В практике питания бытовых приборов существует масса примеров работы электрических устройств от постоянного тока. Но номинал рабочего напряжения может существенно отличаться, к примеру, если из 36 В вам нужно получить 12 В, или в ситуациях, когда от USB разъема персонального компьютера нужно запитать прибор от 3 В вместо имеющихся 5 вольт.

Для снижения такого уровня от блока питания или другого источника почти вполовину можно использовать как простые методы – включение в цепь дополнительного сопротивления, так и более эффективные – заменить стабилизатор напряжения в ветке обратной связи.

Рис. 1. Замена резистора или стабилитрона

На рисунке выше приведен пример схемы блока питания, в котором вы можете понизить вольтаж путем изменения параметров резистора и стабилитрона. Этот узел на рисунке обведен красным кругом, но в других моделях место установки, как и способ подсоединения, может отличаться. На некоторых схемах, чтобы понизить напряжение вы сможете воспользоваться лишь одним стабилитроном.

Если у вас нет возможности подключаться к блоку питания – можно обойтись и менее изящными методами. К примеру, вы можете понизить напряжение за счет включения в цепь резистора или подобрать диоды, второй вариант является более практичным для цепей постоянного тока. Этот принцип основан на падении напряжения за счет внутреннего сопротивления элементов.

В зависимости от соотношения проводимости рабочей нагрузки и полупроводникового элемента может понадобиться около 3 – 4 диодов.

Рис. 2. Понижение постоянного напряжения диодами

На рисунке выше показана принципиальная схема понижения напряжения при помощи диодов. Для этого они включаются в цепь последовательно по отношению к нагрузке. При этом выходное напряжение окажется ниже входного ровно на такую величину, которая будет падать на каждом диоде в цепи.  Это довольно простой и доступный способ, позволяющий понизить напряжение, но его основной недостаток – расход мощности для каждого диода, что приведет к дополнительным затратам электроэнергии.

Понижение напряжения переменного тока

Переменное напряжение в 220 Вольт повсеместно используется для бытовых нужд, за счет физических особенностей его куда проще понизить до какой-либо величины или осуществлять любые другие манипуляции. В большинстве случаев, электрические приборы и так рассчитаны на питание от электрической сети, но если они были приобретены за рубежом, то и уровень напряжения для них может существенно отличаться.

К примеру, привезенные из США устройства питаются от 110В переменного тока, и некоторые умельцы берутся перематывать понижающий трансформатор для получения нужного уровня. Но, следует отметить, что импульсный преобразователь, которым часто комплектуется различный электроинструмент и приборы не стоит перематывать, так как это приведет к его некорректной работе в дальнейшем. Куда целесообразнее установить автотрансформатор или другой на нужный вам номинал, чтобы понизить напряжение.

С помощью трансформатора

Изменение величины напряжения при помощи электрических машин используется в блоках питания и подзарядных устройствах. Но чтобы понизить  вольтаж источника в такой способ, можно использовать различные типы преобразовательных трансформаторов:

  • С выводом от средней точки – могут выдавать разность потенциалов как 220В, так и в два раза меньшее – 127В или 110В. От него вы сможете взять установленный номинал на те же 110В со средней точки. Это заводские изделия, которые массово устанавливались в старых советских телевизорах и других приборах. Но у этой схемы преобразователя имеется существенный недостаток – если нарушить целостность обмотки ниже среднего вывода, то на выходе трансформатора получится номинал значительно большей величины.
Рис. 3. Понижение трансформатором с отводом от средней точки
  • Автотрансформатором – это универсальная электрическая машина, которая способна не только понизить вольтаж, но и повысить его до нужного вам уровня. Для этого достаточно перевести ручку в нужное положение и проследить полученные показания на вольтметре.
Рис. 4. Использование автотрансформатора
  • Понижающим трансформатором с преобразованием 220В на нужный вам номинал или с любого другого напряжения переменной частоты. Реализовать этот метод можно как уже готовыми моделями трансформаторов, так и самодельными. За счет наличия большого количества инструментов и приспособлений, сегодня каждый может собрать трансформатор с заданными параметрами в домашних условиях. Более детально об этом вы можете узнать из соответствующей статьи: https://www.asutpp.ru/transformator-svoimi-rukami.html

Выбирая конкретную модель электрической машины, чтобы понизить напряжение, обратите внимание на характеристики конкретной модели по отношению к тем устройствам, которые вы хотите запитать.

Наиболее актуальными параметрами у трансформаторов являются:

  • Мощность – трансформатор должен не только соответствовать, подключаемой к нему нагрузке, но и превосходить ее, хотя бы на 10 – 20%. В противном случае максимальный ток приведет к перегреву обмоток трансформатора и дальнейшему выходу со строя.
  • Номинал напряжения – выбирается и для первичной, и для вторичной цепи. Оба параметра одинаково важны, так как, выбрав модель с входным напряжением на 200 или 190В, на выходе вы при питании от 220В получится пропорционально большая величина.
  • Защита от поражения электротоком – все обмотки и выводы от них должны обязательно иметь достаточную изоляцию и защиту от прикосновения.
  • Класс пыле- влагозащищенности – определяет устойчивость оборудования к воздействию окружающих факторов. В современных приборах обозначается индексом IP.

Помимо этого любой преобразователь напряжения, даже импульсный трансформатор, следовало бы защитить от токов короткого замыкания и перегрузки в обмотках. Это существенно сократит затраты на ремонт при возникновении аварийных ситуаций.

С помощью резистора

Для понижения напряжения в цепь нагрузки последовательно включается  делитель напряжения в виде активного сопротивления.

Основной сложностью в регулировке напряжения на подключаемом приборе является зависимость от нескольких параметров:

  • величины напряжения;
  • сопротивления нагрузки;
  • мощности источника.

Если  вы будете понижать от бытовой сети, то ее можно считать источником бесконечной мощности и принять эту составляющую за константу. Тогда расчет резистора будет выполняться таким методом:

R = Uc/I — Rн ,

где

  • R – сопротивление резистора;
  • RН – сопротивление прибора нагрузки;
  • I – ток, который должен обеспечиваться в номинальном режиме прибора;
  •  UC – напряжение в сети.

После вычисления номинала резистора можете подобрать соответствующую модель из имеющегося ряда. Стоит отметить, что куда удобнее менять потенциал при помощи переменного резистора, включенного в цепь. Подключив его последовательно с нагрузкой, вы можете подбирать положение таким образом, чтобы понизить напряжение до необходимой величины. Однако эффективным способ назвать нельзя, так как помимо работы в приборе, электрическая энергия будет просто рассеиваться на резисторе, поэтому этот вариант является временным или одноразовым решением.

Видео по теме

напряжение на диоде | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Есть другой способ снижения  напряжения на нагрузке, но только для цепей постоянного тока. Про первый способ смотри здесь.

Вместо дополнительного резистора используют цепочку из последовательно включенных, в прямом направлении,  диодов.

Весь смысл состоит в том, что при протекании тока через диод на нем падает «прямое напряжение» равное, в зависимости от типа диода, мощности и тока протекающего через него —  от 0,5 до 1,2 Волта.

На германиевом диоде падает напряжение 0,5 — 0,7 В, на кремниевом от 0,6 до 1,2 Вольта.  Исходя из того, на сколько вольт  нужно понизить напряжение на нагрузке, включают соответствующее количество диодов.

Чтобы понизить напряжение на 6 В необходимо приблизительно включить:  6 В : 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В : 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Наиболее популярны и доступны кремниевые диоды.

Выше приведенная схема с диодами, более громоздка в исполнении, чем с простым резистором. Но, выходное напряжение, в схеме с диодами, более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?

На Рис 1 — добавочное сопротивление — резистор (проволочное сопротивление), Рис 2 — добавочное сопротивление — диод.

У резистора (проволочного сопротивления)  линейная зависимость между током, проходящем через него и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, во столько же раз увеличится и падение напряжения на резисторе.

Из примера 1: если мы к лампочке подключим параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится, с учетом общего сопротивления двух лампочек до 0,66 А. Падение напряжения на добавочном резисторе будет: 12 Ом *0,66 А = 7,92 В.   На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они будут гореть в пол накала.

Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.

Зависимость между током протекающем через диод и падающем на нем напряжении нелинейная. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.

Т.е. чем больше ток диода, тем (сравнительно с резистором) меньше увеличивается его сопротивление. Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.

Диоды в такой цепи выполняют роль стабилизатора напряжения. Диоды необходимо подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше, чем  ток в рассчитываемой цепи.

Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А даны в таблице.

В цепях переменного тока, в качестве добавочного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением схемы управления).

Подключение светодиода к 12 вольтам в машине (расчет сопротивления) (видео)

 Светодиоды — это современные, экономичные, надежные радиоэлементы, применяемые для световой индикации. Мы думаем об этом знает каждый и все! Именно исходя из этого опыта, столь высоко желание применить именно светодиоды, для конструирования самых различных электрических схем, как в бытовой электронике, так и для автомобиля. Но здесь возникают определенный трудности. Ведь самые распространенные светодиоды имеют напряжение питания 3…3,3 вольта, а бортовое напряжение автомобиля в номинале 12 вольт, при этом порой поднимается и до 14 вольт. Само собой здесь всплывает закономерное умозаключение, что для подключения светодиодов к 12 вольтовой сети машины, необходимо будет понизить напряжение. Именно этой теме, подключению светодиода к бортовой сети автомобиля и понижению напряжения, будет посвящена статья.

Два основных принципа о том как можно подключить светодиод к 12 вольтам или понизить напряжение на нагрузке

 Прежде, чем перейти к конкретным схемам и их описаниям, хотелось бы сказать о двух принципиально разных, но возможных вариантах подключения светодиода к 12 вольтовой сети.

  Первый, это когда напряжение падает за счет того, что последовательно светодиоду подключается дополнительное сопротивление потребителя, в качестве которого выступает микросхема-стабилизатор напряжения. В этом случае определенная часть напряжения теряется в микросхеме, превращаясь в тепло. А значит вторая, оставшаяся, достается непосредственно нашему потребителю — светодиоду. Из-за этого он и не сгорает, так как не все суммарное напряжение проходит через него, а только часть. Плюсом применения микросхемы является тот факт, что она способна в автоматическом режиме поддерживать заданное напряжение. Однако есть и минусы. У вас не получиться снизить напряжение ниже уровня, на которое она рассчитана. Второе. Так как микросхема обладает определенным КПД, то падение относительно входа и выхода будет отличаться на 1-1,5 вольта в меньшую сторону. Также для применения микросхемы вам необходимо будет применить хороший рассеивающий радиатор, установленный на ней. Ведь по сути тепло выделяемое от микросхемы, это и есть невостребованные нами потери. То есть то, что мы отсекли от большего потенциала, чтобы получить меньший.

 Второй вариант питания светодиода, когда напряжение ограничивается за счет резистора. Это сродни тому, если бы большую водопроводную трубы взяли бы и сузили. При этом поток (расход и давление) снизились бы в разы. В этом случае до светодиода доходит лишь часть напряжения. А значит, он также может работать без опасности быть сожженным. Минусом применения резистора будет то, что он также имеет свой КПД, то есть также тратит невостребованное напряжение в тепло. В этом случае бывает трудно установить резистор на радиатор.  В итоге, он не всегда подойдет для включения в цепь. Также минусом будет являться и то обстоятельство, что резистор не поддерживает автоматического удержания напряжение в заданном пределе. При падении напряжения в общей цепи, он подаст настолько же меньшее напряжение и на светодиод. Соответственно обратная ситуация произойдет при повышении напряжения в общей цепи.

 Конечно, тот и другой вариант не идеальны, так при работе от портативных источников энергии каждый из них будет тратить часть полезной энергии на тепло. А это актуально! Но что сделать, таков уж принцип их работы. В этом случае источник питания будет тратить часть своей энергии не на полезное действие, а на тепло. Здесь панацеей является использование широтно-импульсной модуляции, но это значительно усложняет схему… Поэтому мы все же остановимся на первых двух вариантах, которые и рассмотрим на практике.

Подключение светодиода через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

Начнем, как и в абзаце выше, с варианта подключения светодиода к напряжению в 12 вольт через резистор. Для того чтобы вам лучше было понять как же происходит падение напряжение, мы приведем несколько вариантов. Когда к 12 вольтам подключено 3 светодиода, 2 и 1.

Подключение 1 светодиода через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

 Итак, у нас есть светодиод. Его напряжение питания 3,3 вольта. То есть если бы мы взяли источник питания в 3,3 вольта и подключили к нему светодиод, то все было бы замечательно. Но в нашем случае наблюдается повышенное напряжение, которое не трудно посчитать по формуле.  14,5-3,3= 11,2 вольта. То есть нам необходимо первоначально снизить напряжение на 11,2 вольта, а затем лишь подать напряжение на светодиод.  Для того чтобы нам рассчитать сопротивление, необходимо знать какой ток протекает в цепи, то есть ток потребляемый светодиодом. В среднем это около 0,02 А. При желании можете посмотреть номинальный ток в даташите к светодиоду. В итоге, по закону Ома получается. R=11,2/0,02=560 Ом. Сопротивление резистора рассчитано. Ну, а уж схему нарисовать и того проще.

Мощность резистора рассчитывается по формуле  P=UI=11.2*0,02=0,224 Вт. Берем ближайший согласно стандартного типоряда.

Подключение 2 светодиодов через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

По аналогии с предыдущим примером все высчитывается также, но с одним условием. Так как светодиода уже два, то падение напряжения на них будет 6,6 вольта, а оставшиеся 14,5-6,6=7,9 вольта останутся резистору. Исходя из этого, схема будет следующей.

Так как ток в цепи не изменился, то мощность резистора остается без изменений.

Подключение 3 светодиодов через сопротивление к 12 вольтам в машине (через резистор)

И еще один вариант, когда практически все напряжение гасится светодиодами. А значит, резистор по своему номиналу будет еще меньше. Всего 240 Ом. Схема подключения 3 светодиодов к бортовой сети машины прилагается.

Напоследок нам лишь осталось сказать, что при расчетах было использовано напряжение не 12, а 14,5 вольт. Именно такое повышенное напряжение обычно возникает в электросети машины, когда она заведена.
 Также не трудно прикинуть, что при подключении 4 светодиодов, вам и вовсе не потребуется применение какого либо резистора, ведь на каждый из светодиодов придется по 3,6 вольта, что вполне допустимо.

Подключение светодиода через стабилизатор напряжения к 12 вольтам в машине (через микросхему)

 Теперь перейдем к стабилизированной схеме питания светодиодов от 12 вольт. Здесь, как мы уже и говорили, существует схема, которая регулирует собственное внутреннее сопротивление. Таким образом, питание светодиода будет осуществляться устойчиво, независимо от скачков напряжения бортовой сети.  К сожалению минусом применения микросхемы является тот факт, что минимальное стабилизированное напряжение, которое возможно добиться будет 5 вольт. Именно с таким напряжением можно встретить наиболее широко известные микросхемы – стабилизаторы КР142 ЕН 5Б или иностранный аналог L7805 или L7805CV. Здесь разница лишь в производителе и номинальном рабочем токе от 1 до 1,5 А.

 Так вот, оставшееся напряжение с 5 до 3,3 вольт придется гасить все по тому же примеру что и в предыдущих случаях, то есть с помощью применения резистора. Однако снизить напряжение резистором на 1,7 вольта это уже не столь критично как на 8-9 вольт. Стабилизация напряжения в этом случае все же будет наблюдаться! Приводим схему подключения микросхемы стабилизатора.
Как видите, она очень простая. Реализовать ее может каждый. Не сложнее чем припаять тот же резистор. Единственное условие это установка радиатора, который будет отводить тепло от микросхемы. Его установить нужно обязательно. На схеме написано что микросхема может питать 10 цепочек со светодиодом, на самом деле этот параметр занижен. По факту, если через светодиод проходит около 0,02 А, то она может обеспечивать питанием до 50 светодиодов. Если вам необходимо обеспечить питание большего количества, то используйте вторую такую же независимую схему. Использование двух микросхем подключенных параллельно не правильно. Так как их характеристики немного, да будут отличаться друг от друга, из-за индивидуальных особенностей. В итоге, у одной из микросхем будет шанс перегореть намного быстрее, так как режимы работы у нее будут иные — завышенные.
 О применение аналогичных микросхем мы уже рассказывали в статье «Зарядное устройство на 5 вольт в машине». Кстати, если вы все же решитесь выполнить питание для светодиода на ШИМ, хотя это вряд ли того стоит, то эта статья также раскроет вам все секреты реализации такого проекта.

Подводя итог о подключение светодиода к 12 вольтам в машине своими руками

 Подводя итог о подключении светодиода к 12 вольтовой сети можно сказать о простоте выполнения схемотехники. Как со случаем где применяется резистор, так и с микросхемой – стабилизатором. Все это легко и просто. По крайней мере, это самое простое, что может вам встретиться в электронике. Так что осилить подключение светодиода к бортовой сети машины в 12 вольт  должен каждый и наверняка. Если уж и это не «по зубам», то за более сложное и вовсе браться не следует.

Видео по подключению светодиода к сети в автомобиле

… а теперь чтобы вам было легче прикинуть какой номинал сопротивления нужен и какой мощностью для вашего конкретного случая, можете воспользоваться калькулятором подбора резистора

Как я могу использовать вход 12 В на цифровом выводе Arduino?

Хорошие новости! Это будет дешево! 🙂

Простой резисторный делитель снизит напряжение 12 В до 5 В, которые может переварить Arduino. Выходное напряжение можно рассчитать как

VOUT=R2R1+R2VINVOUT=R2R1+R2VIN

Значения резисторов в диапазоне 10 кОм являются хорошим выбором. Если ваш R2 равен 10 кОм, тогда R1 должен быть 14 кОм. Теперь 14 кОм не является стандартным значением, а 15 кОм. Ваше входное напряжение будет 4,8 В вместо 5 В, но Arduino увидит это все еще на высоком уровне. У вас также есть немного запаса на случай, если 12 В должно быть слишком высоким. Даже 18 кОм все равно дадут вам достаточно высокое 4,3 В, но тогда вы должны начать думать о 12 В слишком низко. Будет ли напряжение по-прежнему считаться высоким? Я бы придерживался 15 кОм.

редактировать
Вы упоминаете автомобильную среду, а затем вам нужна дополнительная защита. Напряжение 12 В в автомобиле никогда не бывает достаточно 12 В, но в большинстве случаев оно выше, с пиковыми значениями в несколько вольт выше номинальных 12 В. (На самом деле номинальное значение больше похоже на 12,9 В при 2,15 В на элемент. ) Вы можете поместить стабилитрон на 5 В диод параллельно с R2, и это должно обрезать любое напряжение выше, чем напряжение 5 В. Стабилизатора. Но напряжение Стабилизатора меняется в зависимости от тока, и при низком входном токе резисторы дают вам отключение при более низких напряжениях. Лучшим решением было бы иметь диод Шоттки между входом Arduino и источником питания 5 В. Тогда любое входное напряжение выше, чем примерно 5,2 В, приведет к тому, что диод Шоттки будет работать, а входное напряжение будет ограничено 5,2 В. Для этого вам действительно нужен диод Шоттки, обычный PN-диод имеет 0.

Лучший
оптрон Майкла — хорошая альтернатива, хотя и немного дороже. Вы часто будете использовать оптопару для изоляции ввода от выхода, но вы также можете использовать его для защиты входа, как вы хотите здесь.

Как это работает: входной ток загорается внутренним инфракрасным светодиодом, который вызывает выходной ток через фототранзистор. Соотношение между входным и выходным током называется CTR для коэффициента передачи тока. CNY17 имеет минимум CTR 40%, что означает , что необходимо 10 мА вход для 4 мА выхода. Давайте перейдем к входу 10 мА. Тогда R1 должно быть (12 В — 1,5 В) / 10 мА = 1 кОм. Выходное сопротивление должно вызывать падение напряжения 5 В при 4 мА, тогда оно должно составлять 5 В / 4 мА = 1250 Ом. Лучше иметь немного более высокое значение, в любом случае напряжение не упадет более чем на 5 В. 4.7 кОм ограничит ток до 1 мА.

Vcc является источником питания 5 В Arduino, Vout поступает на вход Arduino. Обратите внимание, что входной сигнал будет инвертированным: он будет низким, если присутствует 12 В, и высоким, если его нет. Если вы этого не хотите, вы можете поменять положение выхода оптопары и подтягивающего резистора.

edit 2
Как решение оптопары не решает проблему перенапряжения? Резисторный делитель является пропорциональным: выходное напряжение является фиксированной величиной входного напряжения. Если вы рассчитали на 5 В на 12 В, то на 24 В будет 10 В. Не в порядке, отсюда и защита диода.

В схеме оптопары вы можете видеть, что правая сторона, которая подключается к входному контакту Arduino, вообще не имеет напряжения выше 5 В. Если оптрон включен, то транзистор будет потреблять ток, я использовал 4 мА в примере выше. 1,2 кОм приведет к падению напряжения на 4,8 В в соответствии с законом Ома (текущее время сопротивление = напряжение). Тогда выходное напряжение будет 5 В (Vcc) — 4,8 В на резисторе = 0,2 В, это низкий уровень. Если ток будет ниже, падение напряжения будет также меньше, и выходное напряжение будет расти. Например, ток 1 мА вызовет падение на 1,2 В, а выходной сигнал составит 5 В — 1,2 В = 3,8 В. Минимальный ток равен нулю. Тогда у вас нет напряжения на резисторе, и на выходе будет 5 В. Это максимум,

Что если входное напряжение станет слишком высоким? Вы случайно подключаете батарею 24 В вместо 12 В. Затем ток светодиода удвоится и составит от 10 мА до 20 мА. 40% CTR будет вызывать выходной ток 8 мА вместо расчетных 4 мА. 8 мА через резистор 1,2 кОм будет падением 9,6 В. Но от источника 5 В это будет отрицательно, и это невозможно; здесь нельзя опускаться ниже 0 В. Таким образом, в то время как оптрон очень хотел бы потреблять 8 мА, резистор будет ограничивать это. Максимальный ток, проходящий через него, — это когда на него подается полное напряжение 5 В. Выходной сигнал тогда будет действительно 0 В, а ток 5 В / 1,2 кОм = 4,2 мА. Таким образом, к какому бы источнику питания вы ни подключали, выходной ток не будет превышать этого, а напряжение будет оставаться в диапазоне от 0 до 5 В. Никакой дополнительной защиты не требуется.

Если вы ожидаете перенапряжения, вам придется проверить, справится ли светодиод оптопары с повышенным током, но 20 мА не будет проблемой для большинства оптопар (они часто рассчитаны на максимум 50 мА), и, кроме того, это для двойной входное напряжение, которое, вероятно, не произойдет IRL.

Чтоб горело и не сгорало, или Основы электроники для начинающего моддера

Чтоб горело и не сгорало, или Основы электроники для начинающего моддера

В последнее время в мой адрес приходят письма с текстом вроде: «вот я тут все, вроде, правильно подключил, а у меня чевой-то все сгорело». К счастью, под словом «все» в большинстве случаев подразумеваются светодиоды, а не материнские платы и прочие винчестеры. Именно по этой причине авторы статей о моддинге предупреждают о том, что они не несут никакой ответственности за испорченное кривыми руками моддеров-неудачников оборудование.

И все-таки почему это происходит? Да все потому, что светодиоды малого номинала, подключенные к питанию слишком высокого напряжения и тока, просто сгорают от перегрева — странно было бы, если бы этого не происходило. В этой статье я постараюсь дать вам некоторое понятие о том, для чего нужны резисторы, и как можно рассчитать их номинал.
Однако начнем мы не с этого, а, как говорится, «от печки», то есть с питания.

Уверен, вы прекрасно помните, что такое MOLEX-разъем, и что от блока питания к нему идет 4 провода: красный, желтый и два черных. При помощи желтого провода в комбинации с черным вы можете получить 12 V. Красный же на тех же условиях выдает 5 V. Как можно понизить напряжение с помощью резисторов, я расскажу чуть ниже, а вот простой способ снизить напряжение с 12 вольт до 7. Для этого достаточно подпаять черный провод от, скажем, кулера к красному на MOLEX-разъеме (красный от кулера оставляем вместе с желтым на MOLEX’е). Такое соединение позволяет снизить обороты кулера и тем самым уменьшить шум от него. Только не забывайте, что и напор воздуха также уменьшится, что может привести к перегреву железа.


Теперь давайте перейдем к резисторам. Резистор, он же «сопротивление» (он же «резак» и пр.), — радиодеталь, предназначенная для понижения напряжения. Резисторы бывают постоянные и переменные, где значение сопротивления можно менять в небольших пределах. В моддинге резисторы используются главным образом при подключении светодиодов малого напряжения к высоковольтным (в компьютерных пределах) разъемам питания.

Итак, последовательное подключение.
Ток обычного светодиода ~20 mA, т.е. 0,02 A. Допустим, напряжение питания диода равно 1,6 V, а напряжение общее — 5 V. Сначала рассчитываем, какое падение напряжения должен обеспечивать резистор: 5 V — 1,6 V = 3,4 V. Теперь вспоминаем школу и закон Ома и рассчитываем номинал резистора: R = U/I = 3,4 V/0,02 А =170 Om. Теперь ищем на рынке или в любом радиомагазине ближайший к 170 Om номинал и смело его приобретаем. В принципе, всегда есть номинал, отличающийся от заданного не более, чем на 5%, надо только хорошо поискать.


Теперь давайте усложним задачу и подключим не один, а два светодиода и рассчитаем сопротивление для них.
Тут все, в принципе, то же самое, только вот резистор теперь должен снижать напряжение не так активно, т.е. 5 V — 1,6 V — 1,6 V = 1,8 V.
Считаем: R = U/I = 1,8 V/0,02 A= 90 Om. Отыскиваем нечто подобное и… вуаля!

Давайте теперь рассмотрим варианты параллельного подключения.


Данная схема проста и удобна тем, что резистор можно использовать только один, общий.
Принципы, опять же, прежние. Только теперь у нас напряжение питания 12 V. Напряжение питания диодов 1,6 V, зато сила тока стала в 3 раза больше.
0,02 A + 0,02 A + 0,02 A = 0,06 А.
Итак, падение напряжения: 12 V — 1,6 V= 10,4 V.
По закону Ома: R= U/I = 10,4 V/0,06 А = 173 Om. Ближайший номинал — 180 Om.

Ну, с подбором резисторов разобрались, однако бывают случаи, когда необходимый номинал резистора просто не отыскать. Тогда используются комбинации резисторов. Как и все соединения, эти комбинации бывают последовательные и параллельные.


При последовательном соединении номиналы резисторов просто складываются: 150+150+250=550 Om.
Такое соединение необходимо, если номиналы ваших резисторов меньше, чем требуется. Однако так бывает не всегда. В этом случае используется параллельное соединение.
Тут считать сложнее.
R среднее = 1/(1/150 +1/150 + 1/250) = ~57,69 = ~58 Om.

Единственным, пожалуй, недостатком комбинированного соединения резисторов является то, что получившаяся «вязанка» часто занимает немало места, и запихнуть ее, скажем, в мышку иногда бывает довольно проблематично.
Ну и напоследок пару слов о самих светодиодах.

Ну, уже при первом взгляде на картинку все становится понятно: длинная нога — плюс, короткая — минус. Кроме того, стоит знать, что, кроме размеров и цветов, светодиоды бывают комбинированные (способные светиться или одним, или другим цветом), для чего у них имеется три ножки (два плюса и один общий минус), ультраяркие (и так понятно) и мигающие (включено/выключено или один цвет/другой цвет).
Выбирать, что именно использовать для мода, — исключительно ваша прерогатива. Только будьте внимательны к номиналам. Кстати, о номиналах. Вот какое напряжение обычно «предпочитают» светодиоды разных цветов:


красный — 1,6 V;
зеленый — 2,1 V;
желтый — 2,1 V;
оранжевый — 2,5 V;
голубой — 4-5 V.

Ну, надеюсь, после всего вышеизложенного ваши светодиоды начнут выполнять свои функции максимально эффективно и при этом оставаться работоспособными максимально долгое время.

SilentMan, [email protected]
При подготовке материала были использованы материалы сайта metku.net

Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 01 за 2004 год в рубрике hard :: моддинг

способы и приборы.

Блок питания Делитель напряжения на индуктивностях

Как получить нестандартное напряжение, которое не укладывается в диапазон стандартного?

Стандартное напряжение – это такое напряжение, которое очень часто используется в ваших электронных безделушках. Это напряжение в 1,5 Вольта, 3 Вольта, 5 Вольт, 9 Вольт, 12 Вольт, 24 Вольт и тд. Например, в ваш допотопный МР3 плеер вмещалась одна батарейка в 1,5 Вольта. На пульте дистанционного управления ТВ используются уже две батарейки по 1,5 Вольта, включенные последовательно, значит уже 3 Вольта. В USB разъеме самые крайние контакты с потенциалом в 5 Вольт. Наверное, у всех в детстве была Денди? Чтобы питать Денди нужно было подавать на нее напряжение в 9 Вольт. Ну 12 Вольт используется практически во всех автомобилях. 24 Вольта используется уже в основном в промышленности. Также для этого, условно говоря, стандартного ряда “заточены” различные потребители этого напряжения: лампочки, проигрыватели, и тд.

Но, увы, наш мир не идеален. Иногда просто ну очень надо получить напряжение не из стандартного ряда. Например, 9,6 Вольт. Ну ни так ни сяк… Да, здесь нас выручает Блок питания . Но опять же, если использовать готовый блок питания, то наряду с электронной безделушкой придется таскать и его. Как же решить этот вопрос? Итак, я Вам приведу три варианта:

Вариант №1

Сделать в схеме электронной безделушки регулятор напряжения вот по такой схеме (более подробно ):

Вариант №2

На Трехвыводных стабилизаторах напряжения построить стабильный источник нестандартного напряжения. Схемы в студию!


Что мы в результате видим? Видим стабилизатор напряжения и стабилитрон, подключенный к среднему выводу стабилизатора. ХХ – это две последние цифры, написанные на стабилизаторе. Там могут быть цифры 05, 09, 12 , 15, 18, 24. Может уже есть даже больше 24. Не знаю, врать не буду. Эти две последние цифры говорят нам о напряжении, которое будет выдавать стабилизатор по классической схеме включения:


Здесь стабилизатор 7805 выдает нам по такой схеме 5 Вольт на выходе. 7812 будет выдавать 12 Вольт, 7815 – 15 Вольт. Более подробно про стабилизаторы можно прочитать .

U стабилитрона – это напряжение стабилизации на стабилитроне. Если мы возьмем стабилитрон с напряжением стабилизации 3 Вольта и стабилизатор напряжение 7805, то на выходе получим 8 Вольт. 8 Вольт – уже нестандартный ряд напряжения;-). Получается, что подобрав нужный стабилизатор и нужный стабилитрон, можно с легкостью получить очень стабильное напряжение из нестандартного ряда напряжений;-).

Давайте все это рассмотрим на примере. Так как я просто замеряю напряжение на выводах стабилизатора, поэтому конденсаторы не использую. Если бы я питал нагрузку, тогда бы использовал и конденсаторы. Подопытным кроликом у нас является стабилизатор 7805. Подаем на вход этого стабилизатора 9 Вольт от балды:


Следовательно, на выходе будет 5 Вольт, все таки как-никак стабилизатор 7805.


Теперь берем стабилитрон на U стабилизации =2,4 Вольта и вставляем его по этой схеме, можно и без конденсаторов, все-таки делаем просто замеры напряжения.



Опа-на, 7,3 Вольта! 5+2,4 Вольта. Работает! Так как у меня стабилитроны не высокоточные (прецизионные), то и напряжение стабилитрона может чуточку различаться от паспортного (напряжение, заявленное производителем). Ну, я думаю, это не беда. 0,1 Вольт для нас погоды не сделают. Как я уже сказал, таким образом можно подобрать любое значение из ряда вон.

Вариант №3

Есть также другой подобный способ, но здесь используются диоды. Может быть Вам известно, что падение напряжение на прямом переходе кремниевого диода составляет 0,6-0,7 Вольт, а германиевого диода – 0,3-0,4 Вольта ? Именно этим свойством диода и воспользуемся;-).

Итак, схему в студию!


Собираем по схеме данную конструкцию. Нестабилизированное входное постоянное напряжение также и осталось 9 Вольт. Стабилизатор 7805.


Итак, что на выходе?


Почти 5.7 Вольт;-), что и требовалось доказать.

Если два диода соединять последовательно, то на каждом из них будет падать напряжение, следовательно, оно будет суммироваться:


На каждом кремниевом диоде падает по 0,7 Вольт, значит, 0,7+0,7=1,4 Вольта. Также и с германиевыми. Можно соединить и три, и четыре диода, тогда нужно суммировать напряжения на каждом. На практике более трех диодов не используют. Диоды можно ставить даже малой мощности, так как в этом случае ток через них все равно будет мал.

Нужно знать, как понизить напряжение в цепи, чтобы не повредить электрические приборы. Всем известно, что к домам подходит два провода — ноль и фаза. Это называется однофазной крайне редко используется в частном секторе и многоквартирных домах. Необходимости в ней просто нет, так как вся бытовая техника питается от сети переменного однофазного тока. Но вот в самой технике требуется делать преобразования — понижать переменное напряжение, преобразовывать его в постоянное, изменять амплитуду и прочие характеристики. Именно эти моменты и нужно рассмотреть.

Снижение напряжения с помощью трансформаторов

Самый простой способ — это использовать трансформатор пониженного напряжения, который совершает преобразования. Первичная обмотка содержит большее число витков, чем вторичная. Если есть необходимость снизить напряжение вдвое или втрое, вторичную обмотку можно и не использовать. Первичная обмотка трансформатора используется в качестве индуктивного делителя (если от нее имеются отводы). В бытовой технике используются трансформаторы, со вторичных обмоток которых снимается напряжение 5, 12 или 24 Вольта.

Это наиболее часто используемые значения в современной бытовой технике. 20-30 лет назад большая часть техники питалась напряжением в 9 Вольт. А ламповые телевизоры и усилители требовали наличия постоянного напряжения 150-250 В и переменного для нитей накала 6,3 (некоторые лампы питались от 12,6 В). Поэтому вторичная обмотка трансформаторов содержала такое же количество витков, как и первичная. В современной технике все чаще используются инверторные блоки питания (как на компьютерных БП), в их конструкцию входит трансформатор повышающего типа, он имеет очень маленькие габариты.

Делитель напряжения на индуктивностях

Индуктивность — это катушка, намотанная медным (как правило) проводом на металлическом или ферромагнитном сердечнике. Трансформатор — это один из видов индуктивности. Если от середины первичной обмотки сделать отвод, то между ним и крайними выводами будет равное напряжение. И оно будет равно половине напряжения питания. Но это в том случае, если сам трансформатор рассчитан на работу именно с таким питающим напряжением.

Но можно использовать несколько катушек (для примера можно взять две), соединить их последовательно и включить в сеть переменного тока. Зная значения индуктивностей, несложно произвести расчет падения на каждой из них:

  1. U(L1) = U1 * (L1 / (L1 + L2)).
  2. U(L2) = U1 * (L2 / (L1 + L2)).

В этих формулах L1 и L2 — индуктивности первой и второй катушек, U1 — напряжение питающей сети в Вольтах, U(L1) и U(L2) — падение напряжения на первой и второй индуктивностях соответственно. Схема такого делителя широко применяется в цепях измерительных устройств.

Делитель на конденсаторах

Очень популярная схема, используется для снижения значения питающей сети переменного тока. Применять ее в цепях постоянного тока нельзя, так как конденсатор, по теореме Кирхгофа, в цепи постоянного тока — это разрыв. Другими словами, ток по нему протекать не будет. Но зато при работе в цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением, которое и способно погасить напряжение. Схема делителя похожа на ту, которая была описана выше, но вместо индуктивностей используются конденсаторы. Расчет производится по следующим формулам:

  1. Реактивное сопротивление конденсатора: Х(С) = 1 / (2 * 3,14 *f * C).
  2. Падение напряжения на С1: U(C1) = (C2 * U) / (C1 + C2).
  3. Падение напряжения на С2: U(C1) = (C1 * U) / (C1 + C2).

Здесь С1 и С2 — емкости конденсаторов, U — напряжение в питающей сети, f — частота тока.

Делитель на резисторах

Схема во многом похожа на предыдущие, но используются постоянные резисторы. Методика расчета такого делителя немного отличается от приведенных выше. Использоваться схема может как в цепях переменного, так и постоянного тока. Можно сказать, что она универсальная. С ее помощью можно собрать понижающий преобразователь напряжения. Расчет падения на каждом резисторе производится по следующим формулам:

  1. U(R1) = (R1 * U) / (R1 + R2).
  2. U(R2) = (R2 * U) / (R1 + R2).

Нужно отметить один нюанс: величина сопротивления нагрузки должна быть на 1-2 порядка меньше, чем у делительных резисторов. В противном случае точность расчета будет очень грубая.

Практическая схема блока питания: трансформатор

Для выбора питающего трансформатора вам потребуется знать несколько основных данных:

  1. Мощность потребителей, которые нужно подключать.
  2. Значение напряжения питающей сети.
  3. Значение необходимого напряжения во вторичной обмотке.

S = 1,2 * √P1.

А мощность Р1 = Р2 / КПД. Коэффициент полезного действия трансформатора никогда не будет более 0,8 (или 80%). Поэтому при расчете берется максимальное значение — 0,8.

Мощность во вторичной обмотке:

Р2 = U2 * I2.

Эти данные известны по умолчанию, поэтому произвести расчет не составит труда. Вот как понизить напряжение до 12 вольт, используя трансформатор. Но это не все: бытовая техника питается постоянным током, а на выходе вторичной обмотки — переменный. Потребуется совершить еще несколько преобразований.

Схема блока питания: выпрямитель и фильтр

Далее идет преобразование переменного тока в постоянный. Для этого используются полупроводниковые диоды или сборки. Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Называется он однополупериодный. Но максимальное распространение получила мостовая схема, которая позволяет не просто выпрямить переменный ток, но и избавиться максимально от пульсаций. Но такая схема преобразователя все равно неполная, так как от переменной составляющей одними полупроводниковыми диодами не избавиться. А понижающие трансформаторы способны преобразовать переменное напряжение в такое же по частоте, но с меньшим значением.

Электролитические конденсаторы используются в блоках питания в качестве фильтров. По теореме Кирхгофа, такой конденсатор в цепи переменного тока является проводником, а при работе с постоянным — разрывом. Поэтому постоянная составляющая будет протекать беспрепятственно, а переменная замкнется сама на себя, следовательно, не пройдет дальше этого фильтра. Простота и надежность — это именно то, что характеризует такие фильтры. Также могут применяться сопротивления и индуктивности для сглаживания пульсаций. Подобные конструкции используются даже в автомобильных генераторах.

Стабилизация напряжения

Вы узнали, как понизить напряжение до нужного уровня. Теперь его нужно стабилизировать. Для этого используются специальные приборы — стабилитроны, которые изготовлены из полупроводниковых компонентов. Они устанавливаются на выходе блока питания постоянного тока. Принцип работы заключается в том, что полупроводник способен пропустить определенное напряжение, излишек преобразуется в тепло и отдается посредством радиатора в атмосферу. Другими словами, если на выходе БП 15 вольт, а установлен стабилизатор на 12 В, то он пропустит именно столько, сколько нужно. А разница в 3 В пойдет на нагрев элемента (закон сохранения энергии действует).

Заключение

Совершенно другая конструкция — это стабилизатор напряжения понижающий, он делает несколько преобразований. Сначала напряжение сети преобразуется в постоянное с большой частотой (до 50 000 Гц). Оно стабилизируется и подается на импульсный трансформатор. Далее происходит обратное преобразование до рабочего напряжения (сетевого или меньшего по значению). Благодаря использованию электронных ключей (тиристоров) постоянное напряжение преобразуется в переменное с необходимой частотой (в сетях нашей страны — 50 Гц).

Как самому собрать простой блок питания и мощный источник напряжения.
Порой приходится подключать различные электронные приборы, в том числе самодельные, к источнику постоянного напряжения 12 вольт. Блок питания несложно собрать самостоятельно в течении половины выходного дня. Поэтому нет необходимости приобретать готовый блок, когда интереснее самостоятельно изготовить необходимую вещь для своей лаборатории.


Каждый, кто захочет сможет изготовить 12 — ти вольтовый блок самостоятельно, без особых затруднений.
Кому-то необходим источник для питания усилителя, а кому запитать маленький телевизор или радиоприемник…
Шаг 1: Какие детали необходимы для сборки блока питания…
Для сборки блока, заранее подготовьте электронные компоненты, детали и принадлежности из которого будет собираться сам блок….
-Монтажная плата.
-Четыре диода 1N4001, или подобные. Мост диодный.
-Стабилизатор напряжения LM7812.
-Маломощный понижающий трансформатор на 220 в, вторичная обмотка должна иметь 14В — 35В переменного напряжения, с током нагрузки от 100 мА до 1А, в зависимости от того какую мощность необходимо получить на выходе.
-Электролитический конденсатор емкостью 1000мкФ — 4700мкФ.
-Конденсатор емкостью 1uF.
-Два конденсатора емкостью 100nF.
-Обрезки монтажного провода.
-Радиатор, при необходимости.
Если необходимо получить максимальную мощность от источника питания, для этого необходимо подготовить соответствующий трансформатор, диоды и радиатор для микросхемы.
Шаг 2: Инструменты….
Для изготовления блока необходимы инструменты для монтажа:
-Паяльник или паяльная станция
-Кусачки
-Монтажный пинцет
-Кусачки для зачистки проводов
-Устройство для отсоса припоя.
-Отвертка.
И другие инструменты, которые могут оказаться полезными.
Шаг 3: Схема и другие…


Для получения 5 вольтового стабилизированного питания, можно заменить стабилизатор LM7812 на LM7805.
Для увеличения нагрузочной способности более 0,5 ампер, понадобится радиатор для микросхемы, в противном случае он выйдет из строя от перегрева.
Однако, если необходимо получить несколько сотен миллиампер (менее, чем 500 мА) от источника, то можно обойтись без радиатора, нагрев будет незначительным.
Кроме того, в схему добавлен светодиод, чтобы визуально убедиться, что блок питания работает, но можно обойтись и без него.

Схема блока питания 12в 30А .
При применении одного стабилизатора 7812 в качестве регулятора напряжения и нескольких мощных транзисторов, данный блок питания способен обеспечить выходной ток нагрузки до 30 ампер.
Пожалуй, самой дорогой деталью этой схемы является силовой понижающий трансформатор. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть на несколько вольт больше, чем стабилизированное напряжение 12в, чтобы обеспечить работу микросхемы. Необходимо иметь в виду, что не стоит стремиться к большей разнице между входным и выходным значением напряжения, так как при таком токе теплоотводящий радиатор выходных транзисторов значительно увеличивается в размерах.
В трансформаторной схеме применяемые диоды должны быть рассчитаны на большой максимальный прямой ток, примерно 100А. Через микросхему 7812 протекающий максимальный ток в схеме не составит больше 1А.
Шесть составных транзисторов Дарлингтона типа TIP2955 включенных параллельно, обеспечивают нагрузочный ток 30А (каждый транзистор рассчитан на ток 5А), такой большой ток требует и соответствующего размера радиатора, каждый транзистор пропускает через себя одну шестую часть тока нагрузки.
Для охлаждения радиатора можно применить небольшой вентилятор.
Проверка блока питания
При первом включении не рекомендуется подключать нагрузку. Проверяем работоспособность схемы: подсоединяем вольтметр к выходным клеммам и измеряем величину напряжения, оно должно составлять 12 вольт, или значение очень близко к нему. Далее подключаем нагрузочный резистор 100 Ом, мощностью рассеивания 3 Вт, или подобную нагрузку — типа лампы накаливания от автомобиля. При этом показание вольтметра не должно изменяться. Если на выходе отсутствует напряжение 12 вольт, отключите питание и проверьте правильность монтажа и исправность элементов.
Перед монтажом проверьте исправность силовых транзисторов, так как при пробитом транзисторе напряжение с выпрямителя прямиком попадает на выход схемы. Чтобы избежать этого, проверьте на короткое замыкание силовые транзисторы, для этого измерьте мультиметром по раздельности сопротивление между коллектором и эмиттером транзисторов. Эту проверку необходимо провести до монтажа их в схему.

Блок питания 3 — 24в

Схема блока питания выдает регулируемое напряжение в диапазоне от 3 до 25 вольт, при токе максимальной нагрузки до 2А, если уменьшить токоограничительный резистор 0,3 ом, ток может быть увеличен до 3 ампер и более.
Транзисторы 2N3055 и 2N3053 устанавливаются на соответствующие радиаторы, мощность ограничительного резистора должно быть не менее 3 Вт. Регулировка напряжения контролируется ОУ LM1558 или 1458. При использовании ОУ 1458 необходимо заменить элементы стабилизатора, подающие напряжение с вывода 8 на 3 ОУ с делителя на резисторах номиналом 5.1 K.
Максимальное постоянное напряжение для питания ОУ 1458 и 1558 36 В и 44 В соответственно. Силовой трансформатор должен выдавать напряжение, как минимум на 4 вольт больше, чем стабилизированное выходное напряжение. Силовой трансформатор в схеме имеет на выходе напряжение 25.2 вольт переменного тока с отводом посредине. При переключении обмоток выходное напряжение уменьшается до 15 вольт.

Схема блока питания на 1,5 в

Схема блока питания для получения напряжения 1,5 вольта, используется понижающий трансформатор, мостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром и микросхема LM317.

Схема регулируемого блока питания от 1,5 до 12,5 в

Схема блока питания с регулировкой выходного напряжения для получения напряжения от 1,5 вольта до 12,5 вольт, в качестве регулирующего элемента применяется микросхема LM317. Ее необходимо установить на радиатор, на изолирующей прокладке для исключения замыкания на корпус.

Схема блока питания с фиксированным выходным напряжением

Схема блока питания с фиксированным выходным напряжением напряжением 5 вольт или 12 вольт. В качестве активного элемента применяется микросхема LM 7805, LM7812 она устанавливается на радиатор для охлаждения нагрева корпуса. Выбор трансформатора приведен слева на табличке. По аналогии можно выполнить блок питания и на другие выходные напряжения.

Схема блока питания мощностью 20 Ватт с защитой

Схема предназначена для небольшого трансивера самодельного изготовления, автор DL6GL. При разработке блока ставилась задача иметь КПД не менее 50%, напряжение питания номинальное 13,8V, максимум 15V, на ток нагрузки 2,7а.
По какой схеме: импульсный источник питания или линейный?
Импульсные блоки питания получается малогабаритный и кпд хороший, но неизвестно как поведет себя в критической ситуации, броски выходного напряжения…
Несмотря на недостатки выбрана схема линейного регулирования: достаточно объемный трансформатор, не высокий КПД, необходимо охлаждение и пр.
Применены детали от самодельного блока питания 1980-х годов: радиатор с двумя 2N3055. Не хватало еще только µA723/LM723-регулятор напряжения и несколько мелких деталей.
Регулятор напряжения напряжения собран на микросхеме µA723/LM723 в стандартная включении. Выходные транзисторы Т2, Т3 типа 2N3055 для охлаждения устанавливаются на радиаторы. При помощи потенциометра R1 устанавливается выходное напряжение в пределах 12-15V. При помощи переменного резистора R2 устанавливается максимальное падение напряжение на резисторе R7, которое составляет 0,7В (между контактами 2 и 3 микросхемы).
Для блока питания применяется тороидальный трансформатор (может быть любой по вашему усмотрению).
На микросхеме MC3423 собрана схема срабатывающая при превышении напряжения (выбросах) на выходе блока питания, регулировкой R3 выставляется порог срабатывания напряжения на ножке 2 с делителя R3/R8/R9 (2,6V опорное напряжение), с выхода 8 подается напряжение открывающее тиристор BT145, вызывающее короткое замыкание приводящее к срабатыванию предохранителя 6,3а.

Для подготовки блока питания к эксплуатации (предохранитель 6,3а пока не участвует) выставить выходное напряжение например, 12.0В. Нагрузите блок нагрузкой, для этого можно подключить галогенную лампу 12В/20W. R2 настройте, что бы падение напряжение было 0,7В (ток должен быть в пределах 3,8А 0,7=0,185Ωх3,8).
Настраиваем срабатывание защиты от перенапряжения, для этого плавно выставляем выходное напряжение 16В и регулируем R3 на срабатывание защиты. Далее выставляем выходное напряжение в норму и устанавливаем предохранитель (до этого ставили перемычку).
Описанный блок питания можно реконструировать для более мощных нагрузок, для этого установите более мощный трансформатор, дополнительно транзисторы, элементы обвязки, выпрямитель по своему усмотрению.

Самодельный блок питания на 3.3v

Если необходим мощный блок питания, на 3,3 вольта, то его можно изготовить, переделав старый блок питания от пк или используя выше приведенные схемы. К примеру, в схема блока питания на 1,5 в заменить резистор 47 ом большего номинала, или поставить для удобства потенциометр, отрегулировав на нужное напряжение.

Трансформаторный блок питания на КТ808

У многих радиолюбителей остались старые советские радиодетали, которые валяются без дела, но которые можно с успехом применить и они верой и правдой вам долго будут служить, одна из известных схем UA1ZH, которая гуляет по просторам интернета. Много копий и стрел сломано на форумах при обсуждении, что лучше полевой транзистор или обычный кремниевый или германиевый, какую температуру нагрева кристалла они выдержат и кто из них надежнее?
У каждой стороны свои доводы, ну а вы можете достать детали и смастерить еще один несложный и надежный блок питания. Схема очень простая, защищена от перегрузки по току и при параллельном включении трех КТ808 может выдать ток 20А, у автора использовался такой блок при 7 параллельных транзисторов и отдавал в нагрузку 50А, при этом емкость конденсатора фильтра была 120 000 мкф, напряжение вторичной обмотки 19в. Необходимо учитывать, что контакты реле должны коммутировать такой большой ток.

При условии правильного монтажа, просадка выходного напряжения не превышает 0.1 вольта

Блок питания на 1000в, 2000в, 3000в

Если нам необходимо иметь источник постоянного напряжения на высокое напряжение для питания лампы выходного каскада передатчика, что для этого применить? В интернете имеется много различных схем блоков питания на 600в, 1000в, 2000в, 3000в.
Первое: на высокое напряжение используют схемы с трансформаторов как на одну фазу, так и на три фазы (если имеется в доме источник трехфазного напряжения).
Второе: для уменьшения габаритов и веса используют бестрансформаторную схему питания, непосредственно сеть 220 вольт с умножением напряжения. Самый большой недостаток этой схемы — отсутствует гальваническая развязка между сетью и нагрузкой, как выход подключают данный источник напряжения соблюдая фазу и ноль.

В схеме имеется повышающий анодный трансформатор Т1 (на нужную мощность, к примеру 2500 ВА, 2400В, ток 0,8 А) и понижающий накальный трансформатор Т2 — ТН-46, ТН-36 и др. Для исключения бросков по току при включении и защите диодов при заряде конденсаторов, применяется включение через гасящие резисторы R21 и R22.
Диоды в высоковольтной цепи зашунтированы резисторами с целью равномерного распределения Uобр. Расчет номинала по формуле R(Ом)=PIVх500. С1-С20 для устранения белого шума и уменьшения импульсных перенапряжений. В качестве диодов можно использовать и мосты типа KBU-810 соединив их по указанной схеме и, соответственно, взяв нужное количество не забывая про шунтирование.
R23-R26 для разряда конденсаторов после отключения сети. Для выравнивания напряжения на последовательно соединенных конденсаторах параллельно ставятся выравнивающие резисторы, которые рассчитываются из соотношения на каждые 1 вольт приходится 100 ом, но при высоком напряжении резисторы получаются достаточно большой мощности и здесь приходится лавировать, учитывая при этом, что напряжение холостого хода больше на 1,41.

Еще по теме

Трансформаторный блок питания 13,8 вольта 25 а для КВ трансивера своими руками.

Ремонт и доработка китайского блока питания для питания адаптера.

Как понизить напряжение с 12 до 5 вольт. Как понизить постоянное и переменное напряжение — обзор способов

Напряжение 12 Вольт используется для питания большого количества электроприборов: приемники и магнитолы, усилители, ноутбуки, шуруповерты, светодиодные ленты и прочее. Часто они работают от аккумуляторов или от блоков питания, но когда те или другие выходят из строя перед пользователем возникает вопрос: «Как получить 12 Вольт переменного тока»? Об этом мы расскажем далее, предоставив обзор наиболее рациональных способов.

Получаем 12 Вольт из 220

Наиболее часто стоит задача получить 12 вольт из бытовой электросети 220В. Это можно сделать несколькими способами:

  1. Понизить напряжение без трансформатора.
  2. Использовать сетевой трансформатор 50 Гц.
  3. Использовать импульсный блок питания, возможно в паре с импульсным или линейным преобразователем.

Понижение напряжения без трансформатора

Преобразовать напряжение из 220 Вольт в 12 без трансформатора можно 3-мя способами:

  1. Понизить напряжение с помощью балластного конденсатора. Универсальный способ используется для питания маломощной электроники, например светодиодных ламп, и для заряда небольших аккумуляторов, как в фонариках. Недостатком является низкий косинус Фи у схемы и невысокая надежность, но это не мешает её повсеместно использовать в дешевых электроприборах.
  2. Понизить напряжение (ограничить ток) с помощью резистора. Способ не очень хороший, но имеет право на существование, подойдет, чтобы запитать какую-то очень слабую нагрузку, типа светодиода. Его основной недостаток – это выделение большого количества активной мощности в виде тепла на резисторе.
  3. Использовать автотрансформатор или дроссель с подобной логикой намотки.

Гасящий конденсатор

Прежде чем приступить к рассмотрению этой схемы предварительно стоит сказать об условиях, которые вы должны соблюдать:

  • Блок питания не универсальный, поэтому его рассчитывают и используют только для работы с одним заведомо известным прибором.
  • Все внешние элементы блока питания, например регуляторы, если вы будете использовать дополнительные компоненты для схемы, должны быть изолированы, а на металлических ручках потенциометров надеты пластиковые колпачки. Не касайтесь платы блока питания и проводов для подключения выходного напряжения, если к ним не подключена нагрузка или если в схеме не установлен стабилитрон или стабилизатор для низкого постоянного напряжения.

Тем не менее, такая схема вряд ли вас убьёт, но удар электрическим током получить можно.

Схема изображена на рисунке ниже:

R1 – нужен для разрядки гасящего конденсатора, C1 – основной элемент, гасящий конденсатор, R2 – ограничивает токи при включении схемы, VD1 – диодный мост, VD2 – стабилитрон на нужное напряжение, для 12 вольт подойдут: Д814Д, КС207В, 1N4742A. Можно использовать и линейный преобразователь.

Или усиленный вариант первой схемы:

Номинал гасящего конденсатора рассчитывают по формуле:

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√(Uвход²-Uвыход²)

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√Uвход

Но можно и воспользоваться калькуляторами, они есть в онлайн или в виде программы для ПК, например как вариант от Гончарука Вадима, можете поискать в интернете.

Конденсаторы должны быть такими – пленочными:

Или такие:

Остальные перечисленные способы рассматривать не имеет смысла, т.к. понижение напряжения с 220 до 12 Вольт с помощью резистора не эффективно ввиду большого тепловыделения (размеры и мощность резистора будут соответствующие), а мотать дроссель с отводом от определенного витка чтобы получить 12 вольт нецелесообразно ввиду трудозатрат и габаритов.

Блок питания на сетевом трансформаторе

Классическая и надежная схема, идеально подходит для питания усилителей звука, например колонок и магнитол. При условии установки нормального фильтрующего конденсатора, который обеспечит требуемый уровень пульсаций.

В дополнение можно установить стабилизатор на 12 вольт, типа КРЕН или L7812 или любой другой для нужного напряжения. Без него выходное напряжение будет изменяться соответственно скачкам напряжения в сети и будет равно:

Uвых=Uвх*Ктр

Ктр – коэффициент трансформации.

Здесь стоит отметить, что выходное напряжение после диодного моста должно быть на 2-3 вольта больше, чем выходное напряжение БП – 12В, но не более 30В, оно ограничено техническими характеристиками стабилизатора, и КПД зависит от разницы напряжений между входом и выходом.

Трансформатор должен выдавать 12-15В переменного тока. Стоит отметить, что выпрямленное и сглаженное напряжение будет в 1,41 раз больше входного. Оно будет близко к амплитудному значению входной синусоиды.

Также хочется добавить схему регулируемого БП на LM317. С его помощью вы можете получить любое напряжение от 1,1 В до величины выпрямленного напряжения с трансформатора.

12 Вольт из 24 Вольт или другого повышенного постоянного напряжения

Чтобы понизить напряжение постоянного тока из 24 Вольт в 12 Вольт можно использовать линейный или импульсный стабилизатор. Такая необходимость может возникнуть, если нужно запитать 12 В нагрузку от бортовой сети автобуса или грузовика напряжением в 24 В. Кроме того вы получите стабилизированное напряжение в сети автомобиля, которое часто изменяется. Даже в авто и мотоциклах с бортовой сетью в 12 В оно достигает 14,7 В при работающем двигателе. Поэтому эту схему можно использовать и для питания светодиодных лент и светодиодов на транспортных средствах.

Схема с линейным стабилизатором упоминалась в предыдущем пункте.

К ней можно подключить нагрузку током до 1-1,5А. Чтобы усилить ток, можно использовать проходной транзистор, но выходное напряжение может немного снизится – на 0,5В.

Подобным образом можно использовать LDO-стабилизаторы, это такие же линейные стабилизаторы напряжения, но с низким падением напряжения, типа AMS-1117-12v.

Или импульсные аналоги типа AMSR-7812Z, AMSR1-7812-NZ.

Схемы подключения аналогичны L7812 и КРЕНкам. Также эти варианты подойдут и для понижения напряжения от блока питания от ноутбука.

Эффективнее использовать импульсные понижающие преобразователи напряжения, например на базе ИМС LM2596. На плате подписаны контактные площадки In (вход +) и (- Out выход) соответственно. В продаже можно найти версию с фиксированным выходным напряжением и с регулируемым, как на фото сверху в правой части вы видите многооборотный потенциометр синего цвета.

12 Вольт из 5 Вольт или другого пониженного напряжения

Вы можете получить 12В из 5В, например, от USB-порта или зарядного устройства для мобильного телефона, также можно использовать и с популярными сейчас литиевыми аккумуляторами с напряжением 3,7-4,2В.

Если речь вести о блоках питания, можно и вмешаться во внутреннюю схему, править источник опорного напряжения, но для этого нужно иметь определенные знания в электронике. Но можно сделать проще и получить 12В с помощью повышающего преобразователя, например на базе ИМС XL6009. В продаже имеются варианты с фиксированным выходом 12В либо регулируемые с регулировкой в диапазоне от 3,2 до 30В. Выходной ток – 3А.

Он продаётся на готовой плате, и на ней есть пометки с назначением выводов – вход и выход. Еще вариант — использовать MT3608 LM2977, повышает до 24В и выдерживает выходной ток до 2А. Также на фото отчетливо видны подписи к контактным площадкам.

Как получить 12В из подручных средств

Самый простой способ получить напряжение 12В – это соединить последовательно 8 пальчиковых батареек по 1,5 В.

Или использовать готовую 12В батарейку с маркировкой 23АЕ или 27А, такие используются в пультах дистанционного управления. В ней внутри подборка из маленьких «таблеток», которые вы видите на фото.

Мы рассмотрели набор вариантов для получения 12В в домашних условиях. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы, различную степень эффективности, надежности и КПД. Какой вариант лучше использовать, вы должны выбрать самостоятельно исходя из возможностей и потребностей.

Также стоит отметить, что мы не рассмотрели один из вариантов. Получить 12 вольт можно и от блока питания для компьютера формата ATX. Для его запуска без ПК нужно замкнуть зеленый провод на любой из черных. 12 вольт находятся на желтом проводе. Обычно мощность 12В линии несколько сотен Ватт и ток в десятки Ампер.

Теперь вы знаете, как получить 12 Вольт из 220 или других доступных значений. Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео

Повышающий DC-DC преобразователь 5-12 вольт, проще всего собрать на LM2577, которая обеспечивает выход 12V, используя входной сигнал 5V и максимальный ток нагрузки 800 мА. М\С LM2577 — это повышающий прямоходовый импульсный преобразователь. Она доступна в трех различных версиях выходного напряжения: 12 В, 15 В и регулируемая. Вот подробная документация .

Схема на ней требует минимального количества внешних компонентов, а также такие регуляторы экономически эффективным и простые в использовании. Другие особенности: встроенный генератор на фиксированной частоте 52 кГц, который не требует никаких внешних компонентов, мягкий режим запуска для снижения пускового тока и режим регулирования по току для улучшения отклонении входного напряжения и выходной переменной нагрузки.

Характеристики преобразователя на LM2577

  • Входное напряжение 5 В постоянного тока
  • Выходное 12 В постоянного тока
  • Нагрузочный ток 800 мА
  • Функция плавного пуска
  • Отключение при перегреве

Здесь применена регулируемая микросхема LM2577-adj . Для получения других выходных напряжений надо изменить величину резистора обратной связи R2 и R3. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

V Out = 1.23V (1+R2/R3)

В общем LM2577 стоит недорого, дроссель в этой схеме унифицированный — на 100 мкГн и предельный ток 1 А. Благодаря импульсной работе каких-то больших радиаторов для охлаждения не требуется — так что эту схему преобразователя можно смело рекомендовать для повторения. Особенно она пригодится в случаях, когда из USB выхода надо получить 12 вольт.

DC-DC преобразователь 12>3 Вольт, был создан для запитки маломощных плееров с питанием от двух пальчиковых батареек. Поскольку плееры были предназначены для работы в автомобиле, а бортовая сеть автомобиля доставляет 12 Вольт, то каким-то образом нужно было понизить напряжения до номинала 3-4 Вольт.

При заведенном двигателе автомобиля, напряжение бортовой сети повышается до 14 Вольт, это тоже нужно принять во внимание.

Недолго думая, решил изготовить самый простой понижающий преобразователь, если представленное устройство вообще можно назвать преобразователем. Конструкция DC-DC преобразователя довольно проста и основана на явлении спада напряжения, которое проходит через кристалл полупроводникового диода. Как известно, проходя через полупроводниковый диод, номинал постоянного напряжения спадает в районе 0,7 Вольт. Поэтому, чтобы получить нужный спад напряжения, были использованы 12 дешевых полупроводниковых диода серии IN4007. Это обычные выпрямительные диоды с током 1 Ампер и с обратным напряжением порядка 1000 Вольт, желательно использовать именно эти диоды, поскольку они являются самым доступным и дешевым вариантом. Ни в коем случае не стоит использовать диоды с барьером Шоттки , на них спад напряжения слишком мал, следовательно, для наших целей они не подходят.


После диодов желательно поставить конденсатор (электролит 100-470мкФ) для сглаживания пульсаций и помех.

Выходное напряжение нашего «DC-DC преобразователя» составляет 3,3-3,7 Вольт, выходной ток (максимальный) до 1 Ампер. В ходе работы диоды должны чуток перегреваться, но это вполне нормально.


Весь монтаж можно выполнить на обычной макетной плате или же навесным образом, но не стоит забывать, что вибрации могут разрушить места припоев, поэтому в случае использования навесного варианта, диоды желательно приклеить друг к другу с помощью термоклея.


Аналогичным способом можно понизить напряжение бортовой сети автомобиля до 5 Вольт, для зарядки портативной цифровой электроники — планшетных компьютеров, навигаторов, GPS приемников и мобильных телефонов.

Нужно знать, как понизить напряжение в цепи, чтобы не повредить электрические приборы. Всем известно, что к домам подходит два провода — ноль и фаза. Это называется однофазной крайне редко используется в частном секторе и многоквартирных домах. Необходимости в ней просто нет, так как вся бытовая техника питается от сети переменного однофазного тока. Но вот в самой технике требуется делать преобразования — понижать переменное напряжение, преобразовывать его в постоянное, изменять амплитуду и прочие характеристики. Именно эти моменты и нужно рассмотреть.

Снижение напряжения с помощью трансформаторов

Самый простой способ — это использовать трансформатор пониженного напряжения, который совершает преобразования. Первичная обмотка содержит большее число витков, чем вторичная. Если есть необходимость снизить напряжение вдвое или втрое, вторичную обмотку можно и не использовать. Первичная обмотка трансформатора используется в качестве индуктивного делителя (если от нее имеются отводы). В бытовой технике используются трансформаторы, со вторичных обмоток которых снимается напряжение 5, 12 или 24 Вольта.

Это наиболее часто используемые значения в современной бытовой технике. 20-30 лет назад большая часть техники питалась напряжением в 9 Вольт. А ламповые телевизоры и усилители требовали наличия постоянного напряжения 150-250 В и переменного для нитей накала 6,3 (некоторые лампы питались от 12,6 В). Поэтому вторичная обмотка трансформаторов содержала такое же количество витков, как и первичная. В современной технике все чаще используются инверторные блоки питания (как на компьютерных БП), в их конструкцию входит трансформатор повышающего типа, он имеет очень маленькие габариты.

Делитель напряжения на индуктивностях

Индуктивность — это катушка, намотанная медным (как правило) проводом на металлическом или ферромагнитном сердечнике. Трансформатор — это один из видов индуктивности. Если от середины первичной обмотки сделать отвод, то между ним и крайними выводами будет равное напряжение. И оно будет равно половине напряжения питания. Но это в том случае, если сам трансформатор рассчитан на работу именно с таким питающим напряжением.

Но можно использовать несколько катушек (для примера можно взять две), соединить их последовательно и включить в сеть переменного тока. Зная значения индуктивностей, несложно произвести расчет падения на каждой из них:

  1. U(L1) = U1 * (L1 / (L1 + L2)).
  2. U(L2) = U1 * (L2 / (L1 + L2)).

В этих формулах L1 и L2 — индуктивности первой и второй катушек, U1 — напряжение питающей сети в Вольтах, U(L1) и U(L2) — падение напряжения на первой и второй индуктивностях соответственно. Схема такого делителя широко применяется в цепях измерительных устройств.

Делитель на конденсаторах

Очень популярная схема, используется для снижения значения питающей сети переменного тока. Применять ее в цепях постоянного тока нельзя, так как конденсатор, по теореме Кирхгофа, в цепи постоянного тока — это разрыв. Другими словами, ток по нему протекать не будет. Но зато при работе в цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением, которое и способно погасить напряжение. Схема делителя похожа на ту, которая была описана выше, но вместо индуктивностей используются конденсаторы. Расчет производится по следующим формулам:

  1. Реактивное сопротивление конденсатора: Х(С) = 1 / (2 * 3,14 *f * C).
  2. Падение напряжения на С1: U(C1) = (C2 * U) / (C1 + C2).
  3. Падение напряжения на С2: U(C1) = (C1 * U) / (C1 + C2).

Здесь С1 и С2 — емкости конденсаторов, U — напряжение в питающей сети, f — частота тока.

Делитель на резисторах

Схема во многом похожа на предыдущие, но используются постоянные резисторы. Методика расчета такого делителя немного отличается от приведенных выше. Использоваться схема может как в цепях переменного, так и постоянного тока. Можно сказать, что она универсальная. С ее помощью можно собрать понижающий преобразователь напряжения. Расчет падения на каждом резисторе производится по следующим формулам:

  1. U(R1) = (R1 * U) / (R1 + R2).
  2. U(R2) = (R2 * U) / (R1 + R2).

Нужно отметить один нюанс: величина сопротивления нагрузки должна быть на 1-2 порядка меньше, чем у делительных резисторов. В противном случае точность расчета будет очень грубая.

Практическая схема блока питания: трансформатор

Для выбора питающего трансформатора вам потребуется знать несколько основных данных:

  1. Мощность потребителей, которые нужно подключать.
  2. Значение напряжения питающей сети.
  3. Значение необходимого напряжения во вторичной обмотке.

S = 1,2 * √P1.

А мощность Р1 = Р2 / КПД. Коэффициент полезного действия трансформатора никогда не будет более 0,8 (или 80%). Поэтому при расчете берется максимальное значение — 0,8.

Мощность во вторичной обмотке:

Р2 = U2 * I2.

Эти данные известны по умолчанию, поэтому произвести расчет не составит труда. Вот как понизить напряжение до 12 вольт, используя трансформатор. Но это не все: бытовая техника питается постоянным током, а на выходе вторичной обмотки — переменный. Потребуется совершить еще несколько преобразований.

Схема блока питания: выпрямитель и фильтр

Далее идет преобразование переменного тока в постоянный. Для этого используются полупроводниковые диоды или сборки. Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Называется он однополупериодный. Но максимальное распространение получила мостовая схема, которая позволяет не просто выпрямить переменный ток, но и избавиться максимально от пульсаций. Но такая схема преобразователя все равно неполная, так как от переменной составляющей одними полупроводниковыми диодами не избавиться. А понижающие трансформаторы способны преобразовать переменное напряжение в такое же по частоте, но с меньшим значением.

Электролитические конденсаторы используются в блоках питания в качестве фильтров. По теореме Кирхгофа, такой конденсатор в цепи переменного тока является проводником, а при работе с постоянным — разрывом. Поэтому постоянная составляющая будет протекать беспрепятственно, а переменная замкнется сама на себя, следовательно, не пройдет дальше этого фильтра. Простота и надежность — это именно то, что характеризует такие фильтры. Также могут применяться сопротивления и индуктивности для сглаживания пульсаций. Подобные конструкции используются даже в автомобильных генераторах.

Стабилизация напряжения

Вы узнали, как понизить напряжение до нужного уровня. Теперь его нужно стабилизировать. Для этого используются специальные приборы — стабилитроны, которые изготовлены из полупроводниковых компонентов. Они устанавливаются на выходе блока питания постоянного тока. Принцип работы заключается в том, что полупроводник способен пропустить определенное напряжение, излишек преобразуется в тепло и отдается посредством радиатора в атмосферу. Другими словами, если на выходе БП 15 вольт, а установлен стабилизатор на 12 В, то он пропустит именно столько, сколько нужно. А разница в 3 В пойдет на нагрев элемента (закон сохранения энергии действует).

Заключение

Совершенно другая конструкция — это стабилизатор напряжения понижающий, он делает несколько преобразований. Сначала напряжение сети преобразуется в постоянное с большой частотой (до 50 000 Гц). Оно стабилизируется и подается на импульсный трансформатор. Далее происходит обратное преобразование до рабочего напряжения (сетевого или меньшего по значению). Благодаря использованию электронных ключей (тиристоров) постоянное напряжение преобразуется в переменное с необходимой частотой (в сетях нашей страны — 50 Гц).

Источник питания

— может ли электроника быть повреждена из-за пониженного напряжения?

Воутер имеет некоторую полезную информацию, но есть и другие сценарии, в которых недостаточное напряжение может повредить устройство.

Для некоторых экранов более высокого уровня требуется несколько источников напряжения, и отсутствие питания одного источника до достаточно высокого уровня или достаточно быстрого питания до второго источника может привести к повреждению экрана или контроллера.

Некоторые устройства с внутренним МОП-транзистором могут быть повреждены из-за недостаточного питания источника.Как объяснил сотрудник TI о драйвере светодиода с управляемым током, если источник VLed слишком низкий, чтобы обеспечить выбранный ток через канал, логика в этом канале будет пытаться активнее управлять МОП-транзистором канала, чтобы попытаться потреблять больше тока. В конце концов, если не другие части микросхемы, то сгорит МОП-транзистор. Хотел бы я найти это обсуждение и связать его.

Хотя это не приводит к непосредственному повреждению устройства с недостаточной мощностью, отсутствие подачи правильного напряжения на нагревательный элемент может привести к тому, что то, что нагревается, не будет нагреваться должным образом / достаточно быстро.Зимний водонагреватель, электрические плиты, микроволновые печи (в широком смысле слова «обогреватель»), некоторые автомобильные детали. Хуже от медицинских устройств или обогрева в арктической среде. То же самое для охлаждающих устройств, таких как вентиляторы, кондиционеры или пельмени. Неэффективный вентилятор из-за проблем с напряжением может привести к его перегреву. А также водяные насосы. И все три могут быть повреждены из-за его побочных эффектов. Водяные насосы обычно используют движущуюся воду для собственного охлаждения. Более низкое напряжение заставит его перемещать воду, но может быть недостаточно быстрым, чтобы остыть.Плохие вентиляторы могут быть приготовлены устройством, которое не может остыть. Сами нагреватели могут замерзнуть, если они не станут достаточно горячими.

И последнее, что я могу вспомнить, зарядные устройства. Неисправное зарядное устройство или просто плохо спроектированное зарядное устройство, являющееся частью более крупной схемы, может привести к снижению напряжения в состоянии зарядки. Батарея может вернуться в цепь, хотя этого не должно быть.

Идеальный диодный контроллер от 0 В до 18 В экономит мощность и пространство по сравнению с Schottky

Диоды Шоттки

используются по-разному для реализации систем питания с несколькими источниками.Например, электронные системы высокой доступности, такие как сетевые серверы и серверы хранения, используют схемы ИЛИ на диодах Шоттки для реализации системы с резервированием. Диодное ИЛИ также используется в системах с альтернативными источниками питания, такими как сетевой адаптер переменного тока и питание от резервной батареи. Силовые диоды могут быть объединены с конденсаторами для поддержания напряжения нагрузки во время пониженного напряжения на входе. В этом случае силовые диоды включены последовательно с входным напряжением, а конденсаторы находятся на стороне нагрузки диода.В то время как конденсаторы обеспечивают питание, диод с обратным смещением изолирует нагрузку от провисающего входа.

Для этих применений достаточно диодов Шоттки

, когда токи ниже нескольких ампер, но для более высоких токов избыточная мощность, рассеиваемая в диоде из-за его прямого падения напряжения, требует лучшего решения. Например, ток 5 А, протекающий через диод с падением напряжения 0,5 В, тратит 2,5 Вт внутри диода. Это тепло должно рассеиваться с помощью выделенной медной области на печатной плате или радиаторов, прикрепленных болтами к диоду, которые занимают значительное пространство.Прямое падение диода также делает его непрактичным для применений с низким напряжением. Эта проблема требует идеального диода с нулевым прямым падением напряжения для экономии энергии и места.

Контроллер идеальных диодов LTC4352 в тандеме с N-канальным MOSFET создает почти идеальный диод для использования с входными источниками питания от 0 до 18 В. Рисунок 1 иллюстрирует простоту этого решения. Эта идеальная диодная схема может заменить силовой диод Шоттки для создания высокоэффективной схемы ИЛИ или ограничения питания.На рисунке 2 показана экономия энергии идеальной диодной схемой по сравнению с диодом Шоттки. Экономия 3,5 Вт при 10 А, и экономия увеличивается с увеличением тока нагрузки. Благодаря быстрому динамическому отклику контроллер отлично подходит для низковольтных диодных ИЛИ, которые более чувствительны к падению напряжения.

Рис. 1. LTC4352, управляющий N-канальным MOSFET, заменяет силовой диод и связанный с ним радиатор для экономии энергии, площади печатной платы и падения напряжения. Также показано: небольшая площадь печатной платы идеальной диодной схемы с использованием LTC4352 в корпусе DFN-12 размером 3 мм × 3 мм и полевого МОП-транзистора размера SO-8.

Рис. 2. По мере увеличения тока нагрузки увеличивается экономия энергии за счет использования идеального диода (LTC4352 + Si7336ADP) вместо силового диода Шоттки (SBG1025L).

LTC4352 контролирует дифференциальное напряжение на выводах истока («анод») и стока («катод») полевого МОП-транзистора. МОП-транзистор имеет внутренний диод исток-сток, который проводит ток нагрузки при начальном включении питания. Когда входное напряжение выше, чем выходное, MOSFET включается, что приводит к прямому падению напряжения I LOAD • R DS (ON) .R DS (ON) может быть подходящим образом выбран для обеспечения легкого 10-кратного уменьшения падения напряжения на диоде Шоттки. Когда входной сигнал падает ниже выходного, полевой МОП-транзистор выключается, имитируя поведение диода с обратным смещением.

Низкая техника управления идеальным диодом контролирует напряжение на МОП-транзисторе с помощью гистерезисного компаратора. Например, полевой МОП-транзистор можно включить всякий раз, когда напряжение от входа к выходу превышает 25 мВ. Однако выбор нижнего порога отключения может быть непростым.Установка его на положительное прямое падение напряжения, скажем, 5 мВ, заставляет MOSFET выключаться и многократно включаться при малых токах нагрузки. Установка отрицательного значения, например –5 мВ, разрешает обратный постоянный ток.

LTC4352 реализует метод линейного управления, чтобы избежать проблем, связанных с методом на основе компаратора. Он управляет затвором полевого МОП-транзистора, чтобы поддерживать прямое падение напряжения на полевом МОП-транзисторе на уровне 25 мВ (AMP на рисунке 3). При малых токах нагрузки затвор полевого МОП-транзистора немного превышает его пороговое напряжение, создавая сопротивление 25 мВ / I LOAD .По мере увеличения тока нагрузки напряжение затвора повышается, чтобы уменьшить сопротивление полевого МОП-транзистора. В конечном счете, при больших токах нагрузки затвор полевого МОП-транзистора полностью включен, и прямое падение напряжения растет линейно с током нагрузки, как I LOAD • R DS (ON ). На рис. 4 показана полученная ВАХ идеального диода.

Рис. 3. Упрощенное внутреннее устройство LTC4352.

Рис. 4. Прямая ВАХ идеального диода LTC4352 по сравнению с диодом Шоттки.

В состоянии обратного напряжения на затворе подается низкий уровень, чтобы полностью отключить полевой МОП-транзистор, что позволяет избежать постоянного обратного тока.Линейный метод также обеспечивает плавное переключение токов для медленно пересекающихся входных источников питания в приложениях с диодным ИЛИ. Фактически, в зависимости от полевого МОП-транзистора и импеданса трассы, входные источники разделяют ток нагрузки, когда их напряжения почти равны.

Большинство идеальных диодных схем имеют более медленную переходную характеристику по сравнению с обычными диодами. LTC4352, с другой стороны, быстро реагирует на изменения входного и выходного напряжения. Мощный драйвер отключает полевой МОП-транзистор, чтобы защитить входное питание и дорожки на плате от больших обратных токов.Точно так же драйвер быстро включает переключатель, чтобы ограничить падение напряжения во время переключения питания в приложениях с диодным ИЛИ.

На рис. 5 показано быстрое переключение, происходящее в цепи ИЛИ идеального диода на 3,3 В. Первоначально V IN1 обеспечивает полный ток нагрузки, поскольку он выше, чем V IN2 . В этом состоянии MOSFET Q1 включен, а Q3 выключен. Короткое замыкание приводит к падению напряжения V IN1 ниже уровня V IN2 . Быстрый отклик LTC4352 отключает Q1 и включает Q3, так что теперь ток нагрузки может подаваться через V IN2 .Это быстрое переключение сводит к минимуму помехи в напряжении нагрузки, так что последующие цепи могут продолжать работать бесперебойно.

Рис. 5. Идеальное быстрое переключение диодного ИЛИ.

Для быстрого включения переключателя LTC4352 использует внутренний зарядный насос с внешним накопительным конденсатором. Этот конденсатор подключается между выводами CPO и SOURCE. CPO — это выход зарядного насоса, который может выдавать подтягивающий ток до 100 мкА. Накопительный конденсатор накапливает и накапливает заряд, который может быть использован для получения 1.5А переходного подтягивающего тока GATE во время события быстрого включения. Напряжение накопительного конденсатора падает после быстрого включения, поскольку он разделяет заряд с входной емкостью затвора (C ISS ) полевого МОП-транзистора. Для приемлемого падения емкость резервуарного конденсатора должна быть примерно в 10 раз больше, чем C ISS MOSFET.

Быстрое включение легко отключить. Отсутствие накопительного конденсатора замедляет время нарастания затвора, что определяется зарядным током повышения CPO C ISS .Медленное включение затвора может привести к падению нагрузки примерно на вольт ниже входного, поскольку ток течет через основной диод полевого МОП-транзистора до тех пор, пока канал не будет усилен. Это может быть приемлемо для приложений с более высоким входным напряжением, например 12 В.

LTC4352 выходит за рамки функциональных возможностей диода, включая защиту от пониженного и перенапряжения на входе, выходы для сообщения информации о состоянии и неисправностях, обнаружение открытого полевого МОП-транзистора и возможность пропускания обратного тока.

На рис. 6 показан LTC4352 в схеме идеального диода на 5 В с защитой от пониженного и повышенного напряжения.Контакты UV и OV имеют компараторы с порогом срабатывания 0,5 В и гистерезисом 5 мВ (рисунок 3). Резистивные делители от источника питания к этим контактам создают окно входного напряжения, обычно от 4,36 В до 5,78 В, в котором работает идеальная функция диода. Вывод STATUS тянет на низкий уровень, чтобы загореться зеленый светодиод, когда на затворе высокий уровень и мощность течет через внешний MOSFET. Для V IN за пределами окна входного напряжения вентиль удерживается, а на выводе FAULT устанавливается низкий уровень, чтобы сигнализировать о неисправности.Красный светодиод D2 обеспечивает визуальную индикацию. Взаимосвязанные полевые МОП-транзисторы необходимы для блокирования проводимости через их внутренние диоды исток-сток в состоянии низкого уровня затвора. Один полевой МОП-транзистор Q1 может использоваться в случае, когда достаточно индикации выхода V IN за пределы допустимого диапазона. Но следует позаботиться о том, чтобы ток нагрузки, протекающий через основной диод Q1, когда его затвор низкий, не вызвал чрезмерного рассеивания тепла в полевом МОП-транзисторе.

Рис. 6. Схема идеального диода 5 В с защитой от пониженного и перенапряжения на входе.Идеальная функция диода работает при 4,36 В <В IN <5,78 В, иначе GATE низкий.

Переключатель MOSFET может выйти из строя, обрыв цепи или его R DS (ON) может ухудшиться за годы работы, увеличивая падение напряжения на переключателе. Большое падение также происходит, когда через полевой МОП-транзистор протекает чрезмерный ток, возможно, из-за короткого замыкания на выходе. LTC4352 обнаруживает такие сбои и отмечает их через свой вывод FAULT. Схема обнаружения открытого полевого МОП-транзистора срабатывает всякий раз, когда обнаруживает прямое падение напряжения на полевом МОП-транзисторе более 250 мВ — даже при включенном затворе.Обратите внимание, что это условие приводит только к низкому уровню на выводе FAULT, но никаких действий для выключения переключателя не предпринимается. Таблица 1 переводит состояние светодиодов STATUS и FAULT в рабочее состояние LTC4352.

Вход на вывод REV настраивает поведение LTC4352 для обратного тока. Он имеет низкий уровень для нормальной работы диода, что препятствует прохождению обратного тока через внешний полевой МОП-транзистор. Если REV превышает 1 В, ворота полностью открываются до предела, даже в условиях обратного тока.

Только блокировка пониженного, повышенного и пониженного напряжения V CC может отменить это и отключить ворота. Эта функция удобна либо в приложениях управления трактом мощности, которые позволяют протекать обратным током, либо в целях тестирования.

Когда входная мощность диода проходит через разъем на плате с горячей заменой, LTC4352 может выполнять двойную функцию для управления пусковым током. Опять же, для этого приложения требуются соединенные друг с другом полевые МОП-транзисторы, чтобы блокировать проводимость через диоды в корпусе полевого МОП-транзистора.Пусковой ток ограничивается замедлением скорости нарастания напряжения нагрузки. Это делается путем ограничения dV / dt на затворе MOSFET и работы его в конфигурации «исток-повторитель».

На рисунке 7 показано приложение, в котором LTC4352 используется для управления пусковым током. Поскольку цель состоит в том, чтобы ограничить dV / dt на затворе, характеристика быстрого включения идеального диода отключается, если не использовать накопительный конденсатор CPO. Ток затвора теперь ограничен подтягивающим током CPO, равным 100 мкА. Чтобы еще больше снизить dV / dt, на воротах добавлена ​​RC-сеть.Резистор развязывает конденсатор во время быстрого отключения из-за обратного тока или перенапряжения. Резистор R G предотвращает высокочастотные колебания в Q2.

Рисунок 7. Контроль пускового тока.

При «горячем» подключении платы сначала контактируют длинные штырьки питания. LTC4352 включается, но блокирует его, поскольку УФ-излучение низкое. После задержки вставки платы в несколько миллисекунд происходит контакт короткого контакта UV. Если V IN выше 10,8 В, затвор MOSFET начинает увеличиваться.MOSFET включается, когда затвор достигает порогового напряжения, и ток начинает заряжать выход. Q2 работает в режиме повторителя от источника и страдает наибольшим рассеянием мощности. Его V DS начинается с V IN и уменьшается до 25 мВ / 2. Следует следить за тем, чтобы мощность, рассеиваемая во время броска тока, попадала в безопасную рабочую зону (SOA) полевого МОП-транзистора.

Рабочий диапазон V IN простирается до 0 В. Однако при работе с входами ниже 2.9V необходимо внешнее питание на выводе V CC . Это напряжение должно быть в диапазоне от 2,9 до 6 В. Для подмножества от 2,9 В до 4,7 В этого диапазона значение V IN всегда должно быть ниже, чем V CC . Между выводами V CC и GND также необходим байпасный конденсатор 0,1 мкФ. На рисунке 8 показана идеальная диодная схема, в которой напряжение 5 В питает вывод V CC . В этом случае V IN может работать от 0 В до 18 В.

Рис. 8. Идеальная диодная схема от 0 до 18 В.При подаче питания на вывод V CC от внешнего источника в диапазоне от 4,7 В до 6 В (здесь 5 В), V IN может работать от 0 В до 18 В.

Для входных источников питания от 2,9 В до 18 В внешний источник питания на выводе V CC не требуется. Вместо этого внутренний стабилизатор с малым падением напряжения (LDO на рис. 3) LTC4352, продолжение со страницы 27, генерирует напряжение 4,1 В на выводе V CC . Для V IN ниже 4,1 В, V CC следует примерно на 50 мВ ниже V IN .Конденсатор 0,1 мкФ В CC по-прежнему необходим для шунтирования и стабилизации LDO.

Постоянно присутствующей темой в проектировании электронных систем было объединение большего количества вычислений в меньшие форм-факторы и меньшие бюджеты мощности. Другая тенденция заключалась в снижении напряжения распределенной мощности, что увеличивает ток для поддержания уровней мощности. С учетом этих ограничений разработчики плат должны тщательно проверять каждый диод в цепи высокого тока на предмет его мощности и потребляемой площади.

Контроллер LTC4352 MOSFET обеспечивает те же функции, что и диод, но с более высоким КПД и более низкими температурами, особенно при увеличении токов.Он также включает в себя полезные функции, такие как быстрое переключение, режим 0 В, защита от пониженного и повышенного напряжения, обнаружение открытого полевого МОП-транзистора, возможность разрешения обратного тока, возможность горячей замены, а также выходы неисправностей и состояний. Вся эта функциональность заключена в компактные 12-контактные корпуса DFN (3 мм × 3 мм) и MSOP, что позволяет создать идеальное диодное решение с меньшими габаритами по сравнению с обычными диодами.

Блокирующий диод

— обзор

7 Потери при рассогласовании и блокирующие / байпасные диоды

Ряд проблем возникает в массиве, состоящем из нескольких последовательно или параллельно соединенных модулей.Потери рассогласования могут возникать, например, из-за неравномерного освещения массива или из-за того, что разные модули в массиве имеют разные параметры. В результате выходная мощность массива будет меньше суммы выходных мощностей, соответствующих составляющим модулям. Что еще хуже, некоторые элементы могут быть повреждены из-за избыточного рассеивания мощности из-за того, что называется образованием горячей точки .

ФЭ-массив в темноте ведет себя как диод при прямом смещении и при прямом подключении к батарее обеспечивает путь разряда для батареи.Этих обратных токов традиционно избегают за счет использования блокирующих (или цепочечных) диодов (рис. 7). Блокирующие диоды также играют роль в предотвращении избыточных токов в параллельно соединенных цепочках. Потери рассогласования, возникающие в результате затенения части последовательной цепочки, показаны на Рисунке 8, на котором показаны ВАХ пяти последовательно соединенных солнечных элементов. Когда одна ячейка заштрихована, текущий вывод строки определяется током из заштрихованной ячейки. В месте короткого замыкания или рядом с ним затененная ячейка рассеивает мощность, генерируемую освещенными ячейками в цепочке; если количество ячеек велико, возникающий в результате нагрев может повредить стекло, герметик или ячейку.Эту проблему можно решить, используя байпасные диоды. Однако следует отметить, что результирующая ВАХ теперь имеет два локальных максимума, что может отрицательно повлиять на отслеживание точки максимальной мощности.

Рис. 7. Матрица, состоящая из двух цепочек, каждая с блокирующим диодом. Каждый модуль снабжен байпасным диодом. На практике рекомендуется использовать байпасный диод для каждого последовательного соединения 10–15 ячеек [2].

Рис. 8. ВАХ последовательной струны с четырьмя освещенными и одной заштрихованной ячейками.(а) Четыре освещенные клетки. (h) Одна заштрихованная ячейка с байпасным диодом. (c) Четыре ячейки с подсветкой и одна ячейка с затемнением, без диода. (d) Четыре освещенных ячейки и одна заштрихованная ячейка с байпасным диодом через заштрихованную ячейку.

Использование блокирующих диодов было предметом обсуждения, и их использование следует оценивать в каждой конкретной ситуации, уделяя особое внимание компромиссу между потерями мощности из-за падений напряжения на диоде и потерями из-за обратных токов в темноте. если диоды опущены.При использовании современных регуляторов заряда и инверторов, отключающих массив в темноте, блокирующие диоды в любом случае могут оказаться лишними.

В качестве иллюстрации на рисунке 9 сравниваются потери, возникающие с использованием и без использования блокирующих диодов, в массиве, показанном на рисунке 9 (a) автономной системы с батареей, без устройства отслеживания точки максимальной мощности. Если никакие диоды не подключены и одна из цепочек находится в темноте, а другая освещена излучением, показанным на Рисунке 9 (d), общая мощность, рассеиваемая в темной цепочке, показана на Рисунке 9 (b).Можно видеть, что мощность, рассеиваемая темной струной, никогда не достигает более 200 мВт, что составляет менее 0,1% от номинальной пиковой мощности массива. Когда включен блокирующий диод, чтобы избежать рассеивания в темной струне, рассеиваемая мощность снижается до уровня десятых долей милливатт. Однако мощность, рассеиваемая самим диодом, намного выше и достигает нескольких ватт, как показано на рисунке 9 (c).

Рис. 9. Потери мощности в течение одного дня в одной из цепочек массива на (а) в результате обратных токов через цепочку в темноте (заштрихованы), если блокирующий диод не установлен (б).Мощность, рассеиваемая в блокирующем диоде одной цепочки (в). (d) показывает освещенность, используемую при моделировании. Каждый модуль массива (а) состоит из 32 последовательно соединенных ячеек с номинальной мощностью 45,55 Вт при стандартной AM1,5, 1 кВт / м 2 освещенности.

Это имеет разные последствия для подключенных к сети и автономных систем. Системы, подключенные к сети, обычно имеют функции MPPT, а потеря мощности в диоде снижает доступную выработку электроэнергии, тем самым снижая общую эффективность системы.В автономной системе без MPPT рабочая точка на нагрузке устанавливается напряжением батареи, и — если диодное соединение не выводит рабочую точку за пределы точки максимальной мощности — энергия, подаваемая на нагрузку, остается прежней. Энергия, рассеиваемая в диоде, происходит за счет дополнительной энергии, производимой фотоэлектрической решеткой.

В низковольтных приложениях, однако, существуют опасения по поводу потенциальной опасности для безопасности, если не используются предохранители или блокирующие диоды [9], особенно при неисправности или других необычных рабочих условиях.Эти проблемы были решены путем моделирования и экспериментальных работ, в результате которых был сделан вывод о том, что предохранители могут быть не лучшим решением проблемы и что блокирующие диоды могут быть более надежными.

Рекомендации по установке блокирующих диодов в системах, подключенных к сети, для ряда стран в Задаче 5 Международного энергетического агентства можно найти в ссылке [10].

Проектирование простой схемы защиты от перенапряжения с использованием стабилитронов

Каждая конструкция схемы работает на разных уровнях напряжения, наиболее распространенными уровнями напряжения для цифровой схемы являются 3.3В, 5В и 12В. Но каждая конструкция уникальна, и для схемы также характерно иметь более одного рабочего напряжения. Типичная компьютерная система SMPS, например, может работать на шести различных уровнях напряжения, а именно: ± 3,3 В, ± 5 В и ± 12 В. Различные уровни напряжения будут использоваться для питания различных типов компонентов, в этих случаях, если компонент с низким энергопотреблением запитан высоким напряжением, компонент будет безвозвратно поврежден. Следовательно, разработчик всегда должен концентрироваться на реализации схемы защиты от перенапряжения в своих конструкциях, чтобы предотвратить повреждение от перенапряжения.

Любой компонент или цепь будет иметь три различных номинальных напряжения, а именно минимальное рабочее напряжение, рекомендуемое или стандартное рабочее напряжение и максимальное рабочее напряжение. Любое значение выше максимального рабочего напряжения может быть фатальным для любых цепей или компонентов. Очень распространенное и экономичное решение — использовать схему защиты от перенапряжения стабилитрона .

Стабилитроны — основы

Стабилитроны в большинстве случаев являются первым выбором для защиты схемы от состояния перенапряжения .Стабилитрон работает по тому же принципу, что и диод, который блокирует ток в обратном направлении. Но существует ограничение, заключающееся в том, что стабилитрон блокирует ток в обратном направлении только для ограниченного напряжения, указанного в номинальном напряжении стабилитрона . Чтобы быть конкретным, стабилитрон на 5,1 В блокирует протекание тока в обратном направлении до 5,1 В. Если напряжение на стабилитроне больше 5,1 В, он позволяет току проходить через него. Эта особенность стабилитрона делает его отличным компонентом для защиты от перенапряжения .

Как защитить схемы от перенапряжения?

Рассмотрим изображение ниже, где нам нужна защита от перенапряжения для микроконтроллера . Микроконтроллер может быть любым, что имеет максимальное напряжение 5 В на выводах ввода-вывода. Следовательно, напряжение более 5 В может повредить микроконтроллер.

Стабилитрон, используемый в приведенной выше схеме, представляет собой стабилитрон с напряжением 5,1 В. Он будет работать нормально при перенапряжении. Если напряжение больше 5.1 В, стабилитрон будет пропускать ток и регулировать напряжение до 5,1 В. Но менее 5,1 В стабилитрон будет действовать как обычный диод и блокировать

.

Изображение ниже представляет собой моделирование цепи стабилитрона Protection на Spice. Вы можете посмотреть видео внизу этой страницы для полного объяснения симуляции.

На приведенной выше схеме имеется входное напряжение V1. R1 и D2 — это два компонента, защищающие выход от защиты от перенапряжения.В данном случае D2, 1N4099 представляет собой стабилитрон на 6,8 В. Выход будет защищен, если напряжение V1 превысит 6,8 В. Из-за опорного напряжения 6,8 В на 1N4099 выходное напряжение останется максимальным 6,8 В.

Давайте посмотрим, как приведенная выше схема действует как схема защиты входа стабилитрона и защищает выход от напряжения более 6,8 В.

Вышеупомянутая схема моделируется с использованием частоты вращения педалей pspice . Во время входного напряжения 6 В на V1 выходное напряжение остается постоянным на уровне 5.999 В (что составляет 6,0 В).

В приведенном выше моделировании входное напряжение составляет 6,8 В. Таким образом, выходное напряжение составляет 6,785 В, что близко к 6,8 В. Давайте дальше увеличим входное напряжение и создадим ситуацию перенапряжения.

Теперь входное напряжение составляет 7,5 В, что больше, чем 6,8 В. Теперь на выходе все еще 6,883 В. Таким образом, стабилитрон эффективен для защиты подключенной цепи от перенапряжения, даже когда напряжение возвращается ниже 6.8 В, схема снова будет работать нормально, как показано на предыдущем шаге. Это означает, что, в отличие от предохранителя, стабилитрон не повреждается даже при перенапряжении.

Любые другие стабилитроны с другими значениями, такими как 3,3 В, 5,1 В, 9,1 В, 10,2 В, могут использоваться для выбора различных пределов перенапряжения в приведенной выше схеме.

Как выбрать стабилитрон для защиты от перенапряжения?

Следующей важной частью является выбор номинала стабилитрона.Приведенные ниже пункты помогут вам выбрать правильное значение и номер детали для стабилитрона.

1. Сначала выберите напряжение стабилитрона . Это значение напряжения, при котором стабилитрон будет действовать как замыкающая цепь и защищать нагрузку от перенапряжения. Для приведенного выше примера в Pspice напряжение стабилитрона составляет 6,8 В.

В некоторых случаях заданное напряжение на стабилитроне может быть недоступно. В таких случаях можно выбрать близкое значение стабилитрона.Например, для защиты от перенапряжения до 7 В стабилитрон 6,8 В является близким значением.

2. Рассчитайте ток нагрузки , подключенный к цепи защиты от перенапряжения. Для нашего примера, описанного выше, это 50 мА. Помимо тока нагрузки, стабилитроны нуждаются в токе смещения . Следовательно, полный ток должен быть равен току нагрузки плюс ток смещения стабилитрона. В рассмотренном выше примере это может быть

.
Общий ток = 50 мА + 10 мА = 60 мА 

3.Стабилитроны имеют номинальную мощность . Таким образом, для правильного отвода тепла требуется стабилитрон правильной номинальной мощности. Номинальная мощность может быть рассчитана на основе расчетного полного тока на шаге 2, который составляет 60 мА.
Следовательно, номинальная мощность стабилитрона будет равна напряжению стабилитрона, что связывает полный ток, который будет протекать через диод.

В нашем примере

номинальная мощность = 6,8 В x 0,060 = 0,408 Вт. 

Следовательно, стабилитрона мощностью 500 мВт будет достаточно.

4. Рассчитайте номинал резистора путем дифференцирования напряжения источника и общего напряжения. Напряжение источника будет максимальным, которое можно приложить к цепи.

Например, максимальное перенапряжение, которое может произойти или может быть применено в качестве напряжения питания, может составлять 13 В.

Таким образом, падение напряжения на резисторе будет = 13 В — 6,8 В = 6,2 В

По закону Ома номинал резистора будет = 6,2 В / 0,060 А = 103R

Можно выбрать резистор стандартного номинала 100R.

Популярные стабилитроны

Напряжение стабилитрона

Стабилитрон Номер детали

3,3 В

1N5226

5,1 В

1N5231

6.8В

1N5235

9,1 В

1N5239

11,0 В

1N5241

13,0 В

1N5243

15.0В

1N5245

Схема защиты стабилитрона от перенапряжения — плюсы и минусы Защита от перенапряжения

с использованием стабилитронов — самый простой и легкий способ защиты устройств от перенапряжения. В этом методе напряжение остается регулируемым, а стоимость этой схемы намного ниже по сравнению с другими методами.

Но, конечно, у этой схемы есть недостатки.Основным недостатком схемы этого типа является рассеиваемая мощность . Благодаря подключенному последовательно резистору он всегда рассеивает тепло и приводит к потере энергии.

Защита от повреждений при низком напряжении — Maxim Integrated

Аннотация: В этой заметке по применению обсуждается необходимость защиты от перенапряжения в коммутаторах и мультиплексорах, которые подключаются к остальной части системы. Аналоговые переключатели MAX4711 / MAX4712 / MAX4713 работают от 2,7 В до 11 В со встроенной защитой от неисправностей.Обсуждаются другие методы защиты от неисправностей, а также их преимущества и недостатки.

Стандартные напряжения питания для современных систем (однополярные 3,3 В или 5 В или биполярные ± 3,3 В или ± 5 В) обычно являются самыми высокими напряжениями, доступными на плате. Входные клеммы платы могут находиться под напряжением, превышающим напряжение питания. Когда питание платы отключено, на входных клеммах может оставаться напряжение. Первым элементом, на который влияет перенапряжение, часто является мультиплексор или переключатель, поэтому они должны защищать цепи ниже по потоку.

Проходной элемент аналогового переключателя содержит один или несколько полевых МОП-транзисторов и паразитные диоды, ограничивающие напряжение питания для защиты от электростатического разряда. На рисунке 1 показана эквивалентная принципиальная схема замкнутого аналогового переключателя. Пока присутствуют V + и V- и никакое входное напряжение не превышает эти шины на напряжение прямого смещения ограничивающих диодов (обычно 0,6 В), диоды имеют обратное смещение, и через них не течет ток.


Рисунок 1. Эквивалентная принципиальная схема замкнутого переключателя.

Поскольку неправильная последовательность напряжения питания может вызвать сбой из-за перенапряжения, многие переключатели требуют, чтобы сначала подавалось самое положительное напряжение, а последним — самое отрицательное. Входное напряжение при отключенном питании или входное напряжение, превышающее напряжение питания, вызывает протекание тока через ограничивающие диоды. Эти диоды могут выдерживать всего пару милливатт (в зависимости от полупроводникового процесса в ИС), прежде чем нагрев из-за рассеивания мощности необратимо повредит коммутатор.

Более низкие уровни тока могут вызвать защелкивание — состояние, при котором переключатель работает неправильно и потребляет чрезмерный ток от источников питания.В большинстве случаев вы можете завершить фиксацию без повреждения переключателя, сняв все напряжения с переключателя, но плата не будет работать должным образом, пока вы этого не сделаете.

Внешняя защита

Простой подход для защиты аналоговых переключателей от защелкивания (, рис. 2, ) добавляет сильноточные диоды Шоттки, которые имеют низкое напряжение прямого смещения максимум 0,3 В. Если входное напряжение превышает напряжение питания, низкое напряжение Шоттки гарантирует, что ток не может протекать через ограничивающие диоды, типичное напряжение прямого смещения которых равно 0.6В.


Рисунок 2. Защита от защелкивания с помощью внешних диодов Шоттки.

Полученная схема без фиксации имеет обратную сторону (помимо дополнительных затрат на два защитных диода). Диоды Шоттки пропускают каждое напряжение, как минимум на 0,3 В выше, чем напряжение питания. Такое поведение не является проблемой, если напряжения питания отсутствуют (V + и V- на уровне земли), а входное напряжение остается ниже максимально допустимого значения для каждой части, подключенной к V + и V-.

Но, схема не обеспечивает защиты от перенапряжения.Если, например, V + = 5 В и напряжение повреждения на входе переключателя равно 8 В, то V + будет увеличен до примерно 7,7 В — слишком высокое значение для большинства цифровых компонентов, подключенных к V +. Даже если V + питает только переключатель, и переключатель выдерживает неисправность, высокое напряжение может пройти через замкнутый переключатель и повредить детали, расположенные ниже по потоку. Для переключателей с несколькими входами требуется диод Шоттки от каждого входа до V +, что увеличивает стоимость и увеличивает пространство на плате.

Схема Рисунок 3 обеспечивает хорошую защиту от перенапряжения для приложений, в которых входные напряжения всегда отключены при отсутствии напряжения питания на переключателе.Напряжение прямого смещения V D (для обычного кремниевого диода) обычно составляет 0,7 В, поэтому напряжение стабилитрона Vz 1 должно быть выбрано так, чтобы соответствовать V D + V z 1 2 : | V D + Vz 2 | <| V- |. Максимальное номинальное напряжение для диодов (стабилитроны и стандартные кремниевые) следует выбирать в соответствии с максимально возможным напряжением повреждения.


Рисунок 3. Защита от перенапряжения с помощью внешних диодов.

При непрерывном повышении напряжения (а не выбросе) резистор, помещенный между землей и соединением стабилитрона, ограничивает ток через этот диод. Самым большим недостатком такой защиты является ограничение диапазона входного напряжения переключателя. Поскольку диоды сильно различаются по напряжению смещения, минимальные / максимальные пределы для диодной сети также могут сильно различаться. Когда размеры сети рассчитаны на наихудший предел, ток диода может протекать при напряжении, намного меньшем, чем напряжения питания, тем самым устраняя характеристику переключателя rail-to-rail.

Резисторы (диапазон кОм), включенные последовательно с входными каналами, также могут обеспечить некоторую защиту, ограничивая ток короткого замыкания, протекающий через ограничивающие диоды в переключателе. Однако перенапряжение может повредить детали после переключателя. Резистор резко увеличивает сопротивление переключателя в открытом состоянии. Любое изменение этого сопротивления из-за температуры может исказить сигнал, как и ток утечки от переключателя, протекающий через увеличенное сопротивление во включенном состоянии.

Внутренняя защита

Первый подход к интеграции защиты от неисправностей с аналоговым переключателем был для определенного типа мультиплексора, пропускной элемент которого состоит из трех последовательно соединенных полевых МОП-транзисторов в порядке n-канал / p-канал / n-канал.Эта архитектура защищает каждый путь прохождения сигнала до ± 100 В (, рис. 4, ). Сопротивление мультиплексора в открытом состоянии, которое быстро увеличивается при входных напряжениях, превышающих напряжение питания, защищает себя (и части до и после мультиплексора), ограничивая входной ток. Ограничение тока повреждения предотвращает передачу повреждения в другой канал.


Рис. 4. Зависимость сопротивления включения от напряжения сигнала для более старого переключателя с защитой от сбоев.

Подход с последовательным MOSFET также обеспечивает защиту в случае отсутствия питания.С другой стороны, более старые части, такие как MAX388 или HI-509A, работают только в диапазоне от ± 4,5 до ± 18 В, поставляются в больших корпусах, имеют высокое сопротивление во включенном состоянии (минимум 350 Ом, до 3,5 кОм) и не пропускают входной сигнал. -сигнальное напряжение, если оно не на ~ 2 В ниже напряжения питания.

Первым шагом в решении этих проблем для устройств, работающих в диапазоне от 9 В до 36 В или от ± 4,5 до ± 20 В, была разработка новой архитектуры коммутатора, аналогичной описанной ниже как защита от низковольтных замыканий. Новый подход знаменует собой крупный шаг вперед по сравнению с технологией трех последовательно включенных полевых транзисторов, позволяя работать по схеме «от рельса к рельсе» и уменьшая сопротивление в открытом состоянии.Внутренняя схема выключает переключатель при обнаружении неисправности, тем самым предотвращая прохождение неисправности через коммутатор или мультиплексор на другие схемы.

Поскольку во время неисправности в коммутатор или мультиплексор протекают только токи утечки, микросхема не может быть разрушена из-за рассеяния мощности. Как и их предшественники с 3 полевыми транзисторами, коммутаторы и мультиплексоры, созданные с использованием этого нового процесса и архитектуры, устраняют проблемы с ошибками при отключении питания, возвращаясь в состояние с высоким импедансом. Такие компоненты (включая коммутаторы MAX4511 и семейства мультиплексоров MAX4508) подходят для высоковольтных систем, требующих защиты от неисправностей до ± 40 В, но не для обычных систем 3 В и 5 В.Упомянутые детали не указаны для этого диапазона напряжений, и их R DS (ON) с питанием 5 В будет измеряться тысячами Ом.

Защита от низковольтных замыканий

Члены новейшего семейства переключателей с защитой от сбоев оптимизированы для работы от однополярного источника питания 3,3 В или 5 В или от биполярного источника питания ± 3,3 В или ± 5 В. Они не требуют внешней защиты и имеют низкое максимальное сопротивление в открытом состоянии 30 Ом (напряжение ± 5 В) или 100 Ом (питание +3 В).

Как показано на рис. 5 , эти переключатели содержат n-канальный полевой транзистор (N1), параллельный p-канальному полевому транзистору (P1), образуя низкое сопротивление от входа к выходу.Входные сигналы в шинах питания или выходящие за пределы рельсов не более чем на 150 мВ проходят через коммутатор на клемму COM, что позволяет работать с шиной питания.


Рисунок 5. Блок-схема выключателя с защитой от низковольтного замыкания.

Два компаратора контролируют входные напряжения, непрерывно сравнивая их с напряжениями питания V + и V-. Когда сигнал NO (нормально разомкнутый) или NC (нормально замкнутый) находится между V + и V-, переключатель работает нормально.Когда оно превышает напряжение шин питания примерно на 150 мВ (состояние неисправности), выходное напряжение (COM) ограничивается напряжением питания — с той же полярностью и с входами с высоким импедансом. Это действие осуществляется компараторами неисправностей, которые отключают N1 и P1. Они также управляют фиксирующими полевыми транзисторами N2 и P2 следующим образом: если переключатель замкнут до отрицательной неисправности, N2 подключает COM к V-. Если закрытие предшествует положительному отказу, P2 подключает COM к V +. Если переключатель разомкнут перед неисправностью, выход принимает высокий импеданс.

Во время неисправности входы принимают высокий импеданс независимо от состояния переключателя или сопротивления нагрузки. Максимальное аварийное напряжение на входах ограничено абсолютным максимальным номиналом переключателей, который для семейства MAX4711 составляет ± 12 В. Если (например) устройство MAX4711 имеет питание +5 В, оно защищено от аварийных напряжений до +12 В на положительной шине и -7 В на отрицательной шине (5 В + | -7 В | = 12 В). Устройство обеспечивает защиту от сбоев для входных контактов (NO и NC) при отсутствии напряжения питания, а в выключенном состоянии защита еще лучше.В этом случае напряжение повреждения может достигать ± 12 В для любой шины.

Логические входы (IN) защищены от положительных отказов до (V -) +12 В, но отрицательные отказы могут превышать отрицательное напряжение питания только на диодное падение. Выходная клемма (COM) не защищена от сбоев, и (как описано выше) напряжение COM не должно превышать напряжение питания более чем на 0,3 В.

На рисунке 6 показано выходное напряжение для замкнутого, защищенного от сбоя переключателя при сбоях на входе обеих полярностей.Обычно через 200 нс после того, как входное напряжение превышает V + (или V-) примерно на 150 мВ, выход (COM) равен положительному (или отрицательному) напряжению питания за вычетом падения напряжения на полевом транзисторе. Когда ошибка входа возвращается в шину питания, проходит задержка в 700 нс (типичная), прежде чем выход восстанавливается и возобновляется после входа. Эта задержка зависит от сопротивления и емкости COM-выхода и не зависит от амплитуды повреждения. Более высокое сопротивление и емкость на COM увеличивает время восстановления.


Рисунок 6. Зависимость входного напряжения от выходного напряжения при возникновении неисправности.

Приложения

Помимо очевидного использования низковольтных защищенных от сбоев переключателей для защиты аналоговых входов ATE и промышленного оборудования, эти устройства могут упростить конструкторские работы и уменьшить занимаемое пространство во многих других приложениях.

Чтобы избежать отключения питания стойки оборудования, например, для многих приложений требуется возможность вставки платы расширения в объединительную плату под напряжением.Хотя доступны контроллеры с горячей заменой, такие как MAX4271, для ограничения пускового тока карты, ее сигнальные линии нелегко защитить. Если, например, вы вставляете карту в объединительную плату, шина данных которой обменивается данными через 5 В TTL, цифровые ИС (микроконтроллеры, ASIC и т. Д.) Видят 5 В на своих входах до подачи напряжения питания. Как упоминалось ранее, это состояние может привести к защелкиванию или повреждению платы.

Низковольтные защищенные от сбоев переключатели между чувствительными частями и соединительной платой ( Рисунок 7 ) обеспечивают необходимую защиту от перенапряжения.Коммутаторы поддерживают свои выходы COM в состоянии высокого импеданса до тех пор, пока напряжение питания карты не поднимется и не закроет соединение переключателя с объединительной платой. Защищенные (NO) входы коммутатора обращены к объединительной плате, обеспечивая защиту ± 12 В при выключенном питании, а также защищая карту от перенапряжения от объединительной платы при наличии напряжения питания. Обратите внимание, что популярные переключатели логической шины от различных производителей не обеспечивают такого рода защиты. Они обеспечивают более высокое допустимое значение тока фиксации, чем стандартные детали КМОП, но они не выдерживают непрерывного перенапряжения.


Рис. 7. Сигналы объединительной платы с горячей заменой.

Низковольтный переключатель с защитой от сбоев в Рис. 8 отключает внутреннее питание через батарею 9 В (или два последовательно соединенных литиевых элемента и т. Д.) При обнаружении внешнего источника питания, такого как настенный куб (PS) . Обычно питание переключателя осуществляется от батареи на выводе 13. Низковольтный диод Шоттки защищает неперезаряжаемую батарею от заряда при подключении внешнего источника питания.


Рисунок 8.Батарея отключается при наличии внешнего источника питания.

Переключатель на выводе 10 извлекает напряжение VCC, которое в большинстве приложений регулируется регулятором напряжения после переключателя. Как только плата обнаруживает внешнее напряжение питания, микроконтроллер замыкает переключатели 1 и 4 и размыкает переключатель 3. Выходной конденсатор C обеспечивает питание системы во время перехода от переключателя 3 к переключателю 4. Чтобы защитить батарею от повреждения, переключатель 3 должен всегда быть разомкнутым, когда переключатель 4 замкнут. При отключении внешнего источника питания переключатели 4 и 1 размыкаются, а переключатель 3 замыкается.Входы с защитой от сбоев защищают коммутатор, когда напряжение внешнего источника питания выше, чем напряжение батареи, когда батарея разряжена и подключен внешний источник питания, или когда C заряжен и батарея извлечена.

LearnEMC — Защита от переходных процессов

Переходные процессы (мгновенные всплески напряжения или тока) могут нарушить или повредить продукты, подключенные к сигнальным или силовым линиям. Общие источники энергии переходных процессов связаны с молнией, электростатическим разрядом и цепями, в которых происходит резкое изменение тока из-за размыкания переключателя или короткого замыкания.

Устройства защиты от переходных процессов пытаются перенаправить энергию в этих переходных процессах, используя разницу между формой переходного процесса и предполагаемым сигналом или формой волны мощности. Наиболее распространенные схемы защиты от переходных процессов ограничивают амплитуду напряжения, амплитуду тока или время перехода в цепи, которую они защищают.

Устройства ограничения напряжения

На рисунке 1 показано, как можно использовать устройство защиты от переходных процессов с ограничением напряжения для защиты входа компонента СБИС, установленного на печатной плате.При нормальном сигнале или напряжении питания устройство имеет высокий импеданс и не оказывает существенного влияния на работу схемы. Однако, если напряжение на устройстве превышает пороговое значение, сопротивление на его выводах внезапно уменьшается, отклоняя ток от защищаемого компонента.

Рисунок 1. Защита от переходных процессов с ограничением напряжения на печатной плате.

Диоды

Диоды — это, пожалуй, наиболее распространенное защитное устройство для низковольтных устройств.Несмещенный диод обычно имеет высокий импеданс, когда потенциал на его выводах ниже примерно 0,5 В. Импеданс быстро падает при повышении напряжения. Диоды можно комбинировать последовательно для достижения более высоких пороговых напряжений или можно использовать стабилитроны с обратным смещением. Обычно диоды используются в приложениях, требующих порогового напряжения от 0,5 до нескольких вольт.

Диоды — это устройства с ограничением напряжения , что означает, что они проводят ток, достаточный для поддержания напряжения на пороговом уровне.Они относительно быстродействующие с достаточно коротким временем отклика для защиты чувствительных полупроводниковых вводов. Однако диоды обычно не способны рассеивать много энергии до того, как выйдут из строя. Неисправный диод может выглядеть как разомкнутая цепь или короткое замыкание, но с большей вероятностью произойдет короткое замыкание.

Варисторы

Варисторы — это еще один тип устройства ограничения напряжения, которое часто изготавливают из порошка оксида металла. Варисторы могут иметь пороговое напряжение от 0,5 до 10 вольт.Как правило, они способны рассеивать больше энергии, чем диоды, но они также могут иметь большую паразитную емкость, что может сделать их непригодными для приложений с высокоскоростными сигналами. Как и диоды, они чаще выходят из строя при коротком замыкании, чем открываются.

Тиристоры

Тиристоры — это полупроводниковые устройства, такие как диоды. Однако они, как правило, способны рассеивать гораздо больше энергии, чем диоды, и их можно найти с различными пороговыми напряжениями. В отличие от диодов и варисторов, тиристоры представляют собой устройства с ломом , что означает, что они эффективно «замыкаются», когда превышается их пороговое напряжение и напряжение на них падает почти до нуля.

Газоразрядные устройства

Молниезащита для раннего телефонного оборудования в домах состояла из двух металлических частей, расположенных в непосредственной близости. Когда напряжение на этих металлических деталях превысит пороговое значение, воздух между металлическими деталями выйдет из строя, образуя дугу. Это все еще эффективная схема защиты от переходных процессов для больших напряжений, но современные устройства заключены в стеклянную или пластиковую трубку, заполненную газом, который разрушается более предсказуемо, чем воздух.

Газоразрядные трубки способны рассеивать относительно большие количества энергии без повреждений. У них также относительно низкая емкость, поэтому они с меньшей вероятностью будут искажать быстрые или высокочастотные сигналы. Обычно они разрабатываются с пороговым напряжением от 10 до 100 вольт и представляют собой ломовые устройства, такие как тиристоры.

Газоразрядные трубки могут выйти из строя, что затрудняет определение правильности их работы. Однако вышедшая из строя газоразрядная трубка не помешает нормальной работе устройства, к которому она подключена.Неоновые лампы ведут себя как газоразрядные трубки и могут быть недорогим способом обеспечения первичной защиты от переходных процессов (порог ~ 70 вольт) для многих приложений.

Токоограничивающие устройства

Такие устройства, как предохранители, автоматические выключатели и устройства тепловой защиты, срабатывают по току, а не по напряжению. Эти устройства размещаются последовательно с силовыми или сигнальными линиями, ведущими к защищаемому оборудованию. Обычно они имеют очень низкий импеданс, но размыкаются (приобретают высокий импеданс), когда через них протекает слишком большой ток.После срабатывания устройства ограничения тока блокируют поступление мощности на защищаемое оборудование без необходимости рассеивать эту мощность в виде тепла. Следовательно, практически нет ограничений на количество энергии (или мощности), с которой они могут справиться. Однако устройства ограничения тока обычно не реагируют достаточно быстро, чтобы защитить оборудование от быстрых переходных процессов, вызванных молнией или электростатическим разрядом.

Устройства ограничения времени перехода

Устройствам ограничения напряжения и тока требуется определенное время для ответа.Если переходной процесс происходит быстро, повреждение может произойти до того, как защитное устройство сможет сработать. Часто лучшая защита от переходных процессов — это простой конденсатор или ферритовый шарик, предназначенный для замедления любых изменений напряжения или тока из-за индуцированных переходных процессов.

На рисунке 2 показано, как конденсатор на чувствительном входе компонента СБИС может замедлить время нарастания, связанное с любыми индуцированными переходными процессами. Часто входы интегральной схемы реагируют на очень быстрые переходные процессы, даже если это не требуется для правильной работы устройства.Например, вход сброса микропроцессора обычно не переключается часто. Когда он переключается, обычно не имеет значения, происходит ли переключение в микросекундах или миллисекундах. Тем не менее, эти входы часто реагируют на переходные процессы порядка наносекунд. Замедление этих входов путем добавления шунтирующего конденсатора может устранить проблемы из-за очень быстрых переходных процессов (например, возникающих в результате электростатического разряда) без какого-либо неблагоприятного воздействия на работу устройства.

Рисунок 2.Использование конденсатора фильтра для замедления реакции на быстрый вход.

Конденсаторы

имеют ряд преимуществ перед другими устройствами защиты от переходных процессов. Они относительно небольшие, недорогие, а их линейное поведение относительно легко предсказать и смоделировать. У них относительно большая емкость хранения энергии по сравнению с устройствами, которые они защищают, поэтому они вряд ли выйдут из строя при правильном размере. Хотя конденсаторы обычно ведут себя как короткое замыкание при воздействии на них напряжений, превышающих их номинальное значение, их поведение в этих условиях ненадежно; поэтому конденсаторы не следует использовать в качестве устройств защиты от переходных процессов с ограничением напряжения.

Ферритовые бусины или резисторы могут использоваться для обеспечения защиты от переходных процессов с ограничением времени перехода для входов с низким импедансом (например, с высокой емкостью). Преимущество ферритовых шариков в том, что на них не падает постоянное напряжение. Однако при использовании ферритового шарика важно убедиться, что сигнальный или силовой ток не насыщает ферритовый материал.

Выбор защитных устройств: TVS-диоды и металлооксидные варисторы

Идеальное защитное устройство должно ограничивать энергию, поступающую на защищаемую нагрузку, до достаточного минимального уровня, чтобы нагрузка не была повреждена.Защитное устройство должно пережить этот всплеск энергии, чтобы снова защитить себя в другой день. Энергию нагрузки можно измерить как напряжение × ток × время (В × I × t). Лучший выбор сочетает в себе фиксацию при низком напряжении, слабый ток, низкое динамическое сопротивление и быстрое время отклика. Также важны другие факторы, такие как долговечность, повторяемость, место на плате, стоимость, надежность и безопасный механизм отказа. Лабораторные испытания и тщательно согласованные модели SPICE были использованы для демонстрации и расчета эффекта переходных процессов 15 кВ.Во всех случаях в качестве «нагрузки» использовалось стандартное сопротивление 50 Ом. Высокочастотный (RF) отклик не определялся.

Разработчики должны знать о различиях между стандартами ESD на уровне устройства и на уровне системы. Стандарты уровня устройства, такие как модель человеческого тела (HBM), модель машины (MM) и модель заряженного устройства (CDM), используются для определения условий обращения, которым может выдержать компонент. Стандарты системного уровня, такие как IEC61000-4-2 (рисунок 1), касаются условий, которым должна выдержать завершенная сборка.Выходной ток для этих тестов сильно различается даже при одинаковом напряжении.

Например, при 10 кВ пиковый ток сигнала HBM составляет 6,67 А, а пик сигнала IEC61000-4-2 — 37,5 А. Точно так же пик HBM происходит через 10 нс по сравнению с 1 нс для IEC61000-4-2. Для этой дельты di / dt динамика очень разная. Понимание характеристик устройства ESD имеет решающее значение при выборе лучшего устройства. Номинальная спецификация от производителя указывает уровень электростатического разряда, который может выдержать устройство, без какой-либо связи с производительностью системы.Технические характеристики, указанные для стандартной формы сигнала 8 мкс / 20 мкс, не коррелируют с характеристиками 1 нс / 100 нс. Кроме того, номинальный ток в 1 А не является показателем работы при 56,25 А, что является пиковым уровнем тока для защиты от электростатического разряда 15 кВ. Лучший выбор для каждой схемы применения обеспечит наилучшую защиту рассматриваемой нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ

Устройства защиты работают в «Нормальном» или «Защитном» режиме. В «нормальном» режиме (рис. 2) в системе не происходит необычных скачков напряжения или тока.На сигнализацию не влияет «идеальное защитное устройство». В ответвлении, содержащем защитное устройство, ток не протекает. Весь ток течет к нагрузке и не влияет на целостность сигнала. Любой ток, протекающий через практическое устройство защиты в «нормальном» режиме, считается «током утечки». Этот термин ошибки влияет на срок службы батареи портативных устройств и целостность сигнала (при защите линий связи, портов USB, линий HDMI, аудиолинии и т. Д.). Хотя токи утечки могут быть довольно небольшими, они накапливаются в оборудовании с батарейным питанием и потребляют энергию.На целостность сигнала в первую очередь влияет емкость защитного устройства. Тщательно сравните эти характеристики, поскольку не все производители предоставляют гарантированные максимальные номинальные значения.

Скачки напряжения или тока переводят устройство в режим «Защита» (Рисунок 3). Таким образом, идеальное защитное устройство становится идеальным путем короткого замыкания на землю. В идеале вся энергия проходит через защитное устройство, защищающее груз от любых повреждений. После того, как скачок напряжения пройдет, идеальное устройство быстро вернется в «нормальный» режим без каких-либо внутренних повреждений или изменений в его характеристиках.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ РАЗЛИЧИЯ

Полупроводниковые диоды

TVS — это монолитные устройства, изготовленные с использованием стандартных полупроводниковых технологий. Они могут быть легко реализованы в виде массивов или включены в более крупные компоненты, такие как комбинированные устройства защиты фильтров. Они отличаются очень коротким временем отклика, низким напряжением фиксации и высокой надежностью. При использовании в рамках предложенных проектных параметров их характеристики не будут ухудшаться со временем или количеством защитных событий.Носители заряда объединяются взад и вперед через соединение P-N во время различных режимов работы. Обычно они используются для защиты компонентов с низким напряжением.

Устройства

MOV представляют собой керамические массы, состоящие из зерен оксида металла. Их структура похожа на кубик сахара. Граница между зернами образует область с нелинейными характеристиками тока и напряжения, которая ведет себя как диод. Эти «диоды» образуют случайное множество параллельных и последовательных комбинаций.Эта случайная структура приводит к большим допускам для заданных параметров. На производительность MOV влияет объем устройства (высота × длина × ширина). Большие устройства могут работать с очень высокими уровнями напряжения. По этой причине MOV-устройства обычно используются для защиты цепей с питанием от сети.

Перейти на следующую страницу

Устройства

MOV жертвуют собой. Некоторые границы между зерном и землей выходят из строя после каждого события перенапряжения, в первую очередь из-за локального нагрева. Лабораторные измерения подтверждают рост тока утечки (после каждого стрессового события) в «нормальном» режиме.Когда эти границы между зернами выходят из строя, устройство становится больше похоже на резистор, чем на варистор. Постоянное перенапряжение в конечном итоге приведет к короткому замыканию защитного устройства. Скорость разложения обратно пропорциональна объему устройства. Многослойные варисторы (MLV) и другие методы MOV ограничивают ток через себя, чтобы уменьшить его медленнее. Некоторые варисторы специально разработаны с более высоким внутренним сопротивлением, чтобы ограничить ток, проходящий через себя. Хотя эти устройства прослужат дольше в цепи, они также не защищают нагрузку.Этот компромисс между производительностью и надежностью должен быть тщательно взвешен разработчиком. Большинство производителей MOV считают, что устройство вышло из строя, когда некоторые параметры сместились на 10%. Подробные сведения см. В технических паспортах производителей.

И TVS-диоды, и MOV могут выйти из строя из-за обрыва цепи. Когда защитное устройство не работает «открыто», оно не обеспечивает никакой защиты. Следующее событие ESD приведет к повреждению нагрузки. TVS-диоды имеют тенденцию выходить из строя в результате немедленного короткого замыкания, номинально около 1 Ом.

Устройства

MOV страдают от теплового разгона. По мере того, как они становятся более резистивными, непрерывный ток вызывает дальнейшее внутреннее повреждение и, наконец, термический разгон. Их керамическая структура способна выдерживать гораздо более высокие температуры, чем полупроводниковые диоды. Устройства MOV со сквозным отверстием могут нагреваться до температуры более 400 ° C. MOV-устройства для поверхностного монтажа обычно расплавляют свои паяные соединения перед сгоранием. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы ограничить ток с помощью устройств защиты в любом высоковольтном приложении.Возможно, потребуется использовать резисторы с проволочной обмоткой, предназначенные для отказа в «размыкании». Для некоторых агентств требуются предохранители серии. Производители MOV обычно предоставляют некоторые предупреждения или рекомендации, предлагающие необходимое пространство на плате вокруг устройства для решения этой тепловой проблемы.

ТОК УТЕЧКИ

Каждое защитное устройство подключается между сигналом и землей. Некоторые системы могут содержать большое количество компонентов защиты, и их общий дополнительный требуемый ток становится проблемой.Методы передачи сигналов с низким энергопотреблением и низким напряжением также очень чувствительны к любому дополнительному току.

Лабораторные измерения были выполнены Вернером Симбургером в нашем Центре испытаний на электростатические разряды в Мюнхене, Германия. Для защиты сигнальных линий с сопротивлением 50 Ом ниже 5 В в наших тестах измерялось напряжение смещения от -20 В до +20 В постоянного тока, а также измерялся ток через тестируемое устройство. Основная область интереса (для сигнализации 5 В) будет 5 В постоянного тока. Ток утечки TVS-диода составлял 10E-11A, в то время как два протестированных устройства MOV были 10E-09A.Для приложений с низким напряжением утечка в 100 раз лучше для TVS-диода. Ток на некоторых устройствах будет повышаться при повышенных температурах. Испытания проводились при 25 ° C. На рисунке 4 показана зависимость тока утечки от приложенного напряжения для MOV и TVS.

Путь к земле с низким сопротивлением

В режиме «Защита» наилучшим выбором будет путь к земле с наименьшим сопротивлением. Идеальная кривая ВАХ — это вертикальная линия на Vbr (напряжение пробоя). На рисунке 5 показан путь сопротивления для TVS и двух MOS-устройств (Δresistance = ΔTLP напряжение / ΔTLP ток).Большинство производителей указывают напряжение пробоя на уровне +/- 0,001 А и напряжение фиксации на уровне +/- 1 А. Сопротивление в линейной области ВАХ рассчитывается по обратному наклону ВАХ (дельта V / дельта I). По иронии судьбы, этот наклон называется «динамическим сопротивлением» (Rdyn), но на самом деле он используется для статических измерений или расчетов IEC61000-4-2 после начальных 10 нс. Во время событий ESD комплексный импеданс устройств защиты динамически изменяется, и название этой спецификации Rdyn часто сбивает с толку инженеров-проектировщиков.В течение первых 10 нс необходимы другие методы для прогнозирования напряжений. TVS-диоды имеют более низкое динамическое сопротивление (Rdyn), чем MOV-диоды.

Результаты испытаний показали, что динамическое сопротивление TVS-диодов в 10 раз ниже, чем у некоторых MOV-устройств. Согласно IEC61000-4-2 Условия испытаний ESD, разряд 15 кВ имеет вторичный пиковый импульсный ток 30 А. Это значение часто используется как для контактных испытаний, так и для испытаний на воздушном разряде, поскольку полностью устранены эффекты начального переходного процесса. Во время скачка напряжения 30 А сопротивление соответствующего защитного устройства можно определить по результатам лабораторных исследований.

После первых 10 нс сигнала IEC61000-4-2 расчет напряжения упрощается, поскольку время нарастания и спада увеличивается. Период от 25 до 35 нс в сигнале IEC61000-4-2 часто аппроксимируется прямоугольником с амплитудой 2 А / кВ. Для 15кВ это просто 30А. Анализ цепи постоянного тока (рис. 6) быстро определяет напряжение и ток, присутствующие на нагрузке в течение временного интервала 30 А, заменяя устройства защиты их резистивным значением 30 А.

Перейти на следующую страницу

Ток через нагрузку определяется по формуле:

Iload = (30 × Rpr) / (Rpr + 50)

ITVS = 21/50.7 = 0,414 А

IMOV = 210/57 = 3.68A

Показанное здесь сопротивление нагрузки составляет 50 Ом. Во время скачка тока от 25 нс до 35 нс нагрузка, защищаемая диодом TVS, получает ток в 10 раз меньше. Мощность (I2R) во время перенапряжения определяется соотношением Iload × Iload × 50 Ом. Поскольку мощность связана с квадратом тока (умноженного на сопротивление нагрузки), легко понять, почему ток должен быть минимизирован.

ЗАЖИМНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Пики напряжения ограничиваются устройством защиты.Лабораторные испытания проводились путем подачи импульсов 300 В и шириной 30 нс через различные устройства. Каждое устройство реагировало довольно быстро, однако в таблице ниже указаны относительные уровни напряжения. Гранулированная структура варистора не допускает низкого напряжения зажима. Области массива заставят диоды включаться последовательно, где их пороговые напряжения будут суммироваться. Как видно на рисунке 7, TVS-диоды фиксируются при значительно более низких напряжениях, чем их аналоги MOV, что еще больше снижает энергию в низковольтных приложениях.Как указывалось ранее, эти динамические результаты отличаются от значения Vclamp, которое указано в таблице данных. Если известен текущий уровень входного сигнала, Vclamp можно приблизительно представить как Vbreakdown + (Rdyn * Iknown) + L di / dt. Для тестирования IEC61000-4-2 через 10 нс член L di / dt приближается к нулю.

Требования к надежной, воспроизводимой работе устройства защиты зависят от области применения. На ток утечки сильно влияет деградация устройства, как показано на рисунке 8.Этот параметр можно измерить, повторяя стрессовые события и измеряя ток в «нормальном» режиме. Как и ожидалось, варистор становится более резистивным после каждого события перенапряжения. Внимательно интерпретируйте график ниже, так как ось x логарифмическая. Диоды TVS не выходят из строя после каждого события. 10E-11A приближается к пределу большинства лабораторного оборудования. При сравнении двух устройств TVS руководствуйтесь гарантийными характеристиками производителя. Ищите наименьшие характеристики тока утечки.

На рисунке 9 показано ухудшение характеристик устройства, которое также вызывает сдвиг напряжения пробоя (VBR).TVS-диоды не показывают заметного сдвига VBR с течением времени. Некоторые устройства MOV демонстрируют явное снижение VBR после каждого стрессового события. Неисправности массива MOV1 (красный) создают более проводящий путь через варистор, что видно по направлению VBR к нулю. Эта структура (MOV1) в конечном итоге станет коротким замыканием. Неисправности массива MOV2 (черный) создают менее проводящий путь через варистор, что видно по направлению VBR к бесконечности. Поскольку MOV2 изначально имеет меньшую проводимость (см. Кривые I-V), способность защищать нагрузку еще больше снижается с каждым стрессовым событием.В конце концов, эта структура (MOV2) выйдет из строя как разомкнутая цепь, не обеспечивая никакой защиты.

ОГРАНИЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ВОЗМОЖНОСТИ

Лучшие устройства защиты должны быстро ограничивать напряжение и ток. 15 кВ использовалось как наихудший сценарий. Для генерации входного сигнала использовалась обычная упрощенная схема 150 пФ и 330 Ом, 15 кВ. Пиковый ток возникает раньше, но во входном сигнале содержится такая же общая мощность.

На рис. 10 показаны кривые мощности, смоделированные на нагрузке.TVS-диод сочетает в себе низкое напряжение ограничения с низким сопротивлением и малым временем отклика. Энергия нагрузки рассчитывается путем определения площади под соответствующими кривыми.

Для этого низковольтного приложения TVS-диод допускает 4,5 мкДж, а (красный) MOV допускает 18,0 мкДж на нагрузке. Четыре разницы во времени между этими защитными устройствами. В этом легко может заключаться разница между защитой или отказом, в зависимости от безопасной рабочей области (SOA) нагрузки. Выберите устройство защиты, обеспечивающее самый широкий запас прочности в пределах SOA нагрузки.

Для некоторых приложений с высоким током и высоким напряжением потребуются либо большие MOV, либо массив TVS-диодов. Разработчик должен обеспечить защиту системного уровня от катастрофического отказа. Напряжение, превышающее характеристики большинства TVS-диодов, приведет к внезапному отказу в виде короткого замыкания. Это приведет к тому, что нагрузка не будет работать должным образом, однако система выйдет из строя «безопасным» образом. Диод быстро выходит из строя и поэтому не успевает выработать тепло. Металлооксидные варисторы выходят из строя по-другому.Их рабочие параметры меняются в зависимости от количества стрессовых событий, даже если они используются в пределах спецификации. По мере использования они становятся более электропроводными, и возникает тепловой разгон. Их керамическая конструкция может выдерживать более высокие температуры, чем их кремниевые аналоги.

Некоторые устройства MOV могут треснуть или взорваться при резком повышении температуры, что может привести к выходу устройства из строя из-за разрыва цепи. Устройства MOV, которые сохраняют свою форму и форму, могут достигать температуры выше температуры горения бумаги, что создает возможность возгорания.Правильно спроектируйте схемы защиты для работы в условиях перенапряжения и перегрузки по току.

Многие системы могут иметь низковольтные контрольные микроконтроллерные схемы или интерфейсные схемы, которые лучше всего защищены TVS-диодами, тогда как сеть переменного тока или высоковольтные ступени постоянного тока лучше всего могут быть защищены устройствами MOV. Тракты сигналов низкого напряжения обеспечивают лучшую защиту от TVS-диодов; однако некоторые нагрузки могут работать в рамках своей SOA с любым устройством.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.