Zabezpieczenia zasilania DC

Wiele urządzeń jest zasilanych za pomocą zasilacza wtyczkowego lub innego zewnętrznego zasilacza sieciowego. Wszystko jest dobrze, jeśli używa się odpowiedniego zasilacza i jest on prawidłowo podłączony. Jednak w przypadku użycia niewłaściwego zasilacza lub nieprawidłowego podłączenia może dojść do uszkodzenia urządzenia, ponieważ zostanie ono zasilone napięciem o niewłaściwej polaryzacji lub zbyt wysokiej wartości.
Jest to szczególnie poważny problem, jeśli urządzenie nie było używane przez wiele lat, konieczne było kupienie nowego zasilacza (z powodu awarii lub utraty poprzedniego) lub z urządzenia korzysta osoba, która nie zna prawidłowych parametrów zasilania.

Nasze układy zabezpieczające zasilanie zapobiegają uszkodzeniom sprzętu w przypadku nieprawidłowego napięcia wejściowego. Odłączają zasilanie od sprzętu, jeśli napięcie wejściowe jest zbyt wysokie, oraz zapobiegają przepływowi prądu w przypadku nieprawidłowej polaryzacji.

Zasilanie napięciem wyższym niż przewidziane dla danego urządzenia może spowodować uszkodzenie jego elementów wewnętrznych. Podłączenie do urządzenia zasilacza z odwróconą polaryzacją może również nieodwracalnie uszkodzić takie elementy jak układy scalone i kondensatory elektrolityczne, chyba że zastosowano zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją.

Tego rodzaju zabezpieczenie (na przykład dioda) zwykle obniża napięcie dostępne dla urządzenia. Jednak przedstawione tutaj projekty wyróżniają się tym, że zastosowano w nich tranzystor MOSFET, który powoduje bardzo niewielki (praktycznie zerowy) spadek napięcia.

Układy te można wykonać jako urządzenia zewnętrzne. Są jednak niewielkie i niedrogie, dlatego najlepiej zainstalować je w istniejącym sprzęcie. W ten sposób nie powinno dojść do żadnych niepożądanych zdarzeń, o ile nie zostanie podłączone źródło zasilania o parametrach wykraczających poza dopuszczalne wartości znamionowe.

Przedstawiamy trzy wersje układu. Dwie z nich mają potencjometr do ustawiania progu zabezpieczenia przed zbyt wysokim napięciem zasilającym i mogą być stosowane z zasilaczami sieciowymi o napięciu wyjściowym do 27 V DC.

W jednej z tych dwóch wersji zastosowano elementy do montażu powierzchniowego, dzięki czemu jest ona mniejsza od pozostałych rozwiązań i można ją zmieścić w mniejszej przestrzeni. Maksymalny prąd tej wersji wynosi 3 A, a próg zabezpieczenia przed zbyt wysokim napięciem zasilającym można ustawić na poziomie zaledwie 3 V. Odpowiednik w wersji do montażu przewlekanego może pracować z większym prądem, do 7 A.

Jednak do działania wymaga napięcia co najmniej 5 V.

Trzecia wersja jest nieco tańsza w wykonaniu, ale próg zabezpieczenia można ustawiać jedynie w krokach określonych napięciem przebicia Zenera lub przebicia lawinowego zastosowanej diody. Znamionowy zakres napięcia wejściowego tej wersji wynosi 5...30 V, natomiast przy doborze elementów zabezpieczenia uwzględniono maksymalne napięcie wejściowe VMAX wynoszące 50 V. Zaletą tej wersji jest brak jakiejkolwiek procedury konfiguracyjnej. Wystarczy zmontować i zainstalować układ, aby można było rozpocząć jego użytkowanie. Minimalne ustawienie zabezpieczenia przed zbyt wysokim napięciem zasilającym wynosi 7,5 V.

Szczegóły układu

Każda z wersji zapewnia zabezpieczenie przed odwróconą polaryzacją za pomocą tranzystora MOSFET z kanałem P (Q1). Przy prawidłowej polaryzacji prąd początkowo płynie przez wewnętrzną diodę tranzystora MOSFET Q1, co umożliwia przepływ prądu i pojawienie się napięcia na jego źródle.

Rezystor 10 kΩ łączy wówczas bramkę z masą, co powoduje włączenie kanału tranzystora Q1. Dzięki temu prąd omija diodę wewnętrzną, co znacznie zmniejsza spadek napięcia. Dioda Zenera ZD1 ogranicza napięcie między bramką a źródłem tranzystora Q1. W wersji SMD zastosowano diodę Zenera 10 V, natomiast w wersji do montażu przewlekanego – diodę Zenera 15 V, odpowiednio do parametrów zastosowanych tranzystorów MOSFET.

Z drugiej strony, jeśli polaryzacja wejściowego napięcia zasilania zostanie odwrócona, dioda wbudowana w tranzystor Q1 zostanie spolaryzowana wstecznie, a napięcie na bramce będzie takie samo jak na źródle. W związku z tym tranzystor MOSFET pozostaje wyłączony i do obciążenia nie płynie prąd.

Regulowany układ zabezpieczający przed niewłaściwym napięciem zasilającym

Schemat jest identyczny dla płytki przeznaczonej do montażu przewlekanego i SMD, z wyjątkiem tego, że niektóre elementy mają inne oznaczenia lub obudowy, a niektóre rezystory do montażu przewlekanego o mocy 1/2 W zostały zastąpione dwoma połączonymi równolegle rezystorami SMD o mocy 1/4 W (tam, gdzie wymagana jest wyższa moc znamionowa).

Opisywany tu układ zabezpieczający przed niewłaściwym napięciem zasilającym składa się z tranzystora MOSFET z kanałem N (Q2), układu TL431 (REF1) oraz tranzystorów bipolarnych Q3 i Q4. Tranzystor Q2 jest zazwyczaj utrzymywany w stanie przewodzenia dzięki napięciu bramki podawanemu przez rezystor 10 kΩ z dodatniego bieguna zasilania. W tym stanie ma on niską rezystancję między drenem a źródłem, łącząc zacisk masy CON1 z ujemnym zaciskiem CON2, dzięki czemu prąd może płynąć między obciążeniem a źródłem zasilania.

Dioda Zenera ZD2 chroni bramkę tranzystora Q2 przed nadmiernym napięciem. W wersji SMD zastosowano diodę Zenera o napięciu 10 V, natomiast w wersji do montażu przewlekanego – diodę Zenera o napięciu 13 V, co wynika z parametrów znamionowych wybranych typów tranzystorów MOSFET.

Dioda LED1 sygnalizująca zasilanie świeci dzięki przepływowi prądu przez rezystor 2,2 kΩ do ujemnego bieguna zasilania. W wersji SMD rezystor 2,2 kΩ zastąpiono dwoma rezystorami 4,7 kΩ połączonymi równolegle, na wypadek gdyby napięcie zasilania osiągnęło górną granicę dopuszczalnego zakresu.

Programowalne źródło napięcia odniesienia – układ scalony TL431 (REF1) – powoduje obniżenie napięcia na katodzie po przekroczeniu przez napięcie na wejściu REF wartości progowej.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz