Защита входов цифровой электроники

В любом электронном устройстве есть такие элементы управления как кнопки, переключатели, датчики и т.д., которые находятся под контролем конечных пользователей. При определенных условиях входные сигналы с них могут представлять угрозу для устройства.

Особенно это актуально для используемой в промышленности электроники, которая работает в цехах. Как правило, данные с элементов управления считывает центральный процессор (микроконтроллер, ПЛИС или другое устройство).

В таких случаях крайне важно защитить входы процессора от угроз, сохраняя при этом полезный сигнал.

Суть проблемы

На заводе панель управления с кнопками может быть расположена далеко от центрального процессора. Длинные провода могут выступать в качестве индуктивности, что может вызвать всплески напряжения при нажатии кнопки. Эти всплески могут привести в негодность центральный процессор, что выведет из строя всю систему. На рис. 1 показана упрощенная схема этой ситуации.

Рис. 1 Упрощенная схема

Обычно микроконтроллеры имеет входное сопротивление порядка 20 МОм и работают с напряжениями в диапазоне от 1.2 до 5.0В. На рис. 2 приведён дополненный рис. 1.

Рис. 2 Входное сопротивление

На этом рисунке видна проблема незащищённости входа. Любое большое напряжение, появившееся в результате индукции, нажатия кнопки, ошибки пользователя или по другой причине и попавшее на вход микроконтроллера может вывести его и всю систему из строя. В связи с этим, необходимо защитить входы микроконтроллера.

Для понимания деталей обратите внимание на рис. 3. Переключатель подключен к микроконтроллеру по соединительному проводу длиной 7 метров. Обратите внимание на подключение одного из контактов переключателя к GND и подтягивающий резистор на входе микроконтроллера.

Когда переключатель разомкнут, на входе микроконтроллера находится высокий уровень сигнала, вызванный подтягивающим резистором.

Рис. 3 Схема подключения переключателя

При изменении положения переключателя напряжение идет по длинным проводам, что вызывает индукцию. Вследствие этого, на микроконтроллер попадает повышенное напряжение. Это показано на рис. 4. Обратите внимание на минимальное напряжение вызванное индукцией -5.88В. Это более чем достаточно, чтобы вызвать проблемы в электронной системе.

Рис. 4 Осциллограмма перепада напряжения

Теперь, когда мы поняли в чем проблема, можно приступить к её решению.

Защита входов

Важным аспектом входов микроконтроллера и большинства логики являются диоды используемые для защиты входа, которые были исключены из упрощенной модели на рис. 3. Обычно падение напряжения на них около 0.7В.

В идеальных условиях, это может защитить микроконтроллер. Но если напряжение достаточно велико, и подается на вход достаточно долго, оно может разрушить внутренние диоды, возможно замкнув их.

Это приведёт к прямой связи входа и шины питания, и при следующем скачке напряжения может привести к поломке всех элементов подключенных к этой линии питания, что может привести к непредсказуемым последствиям.

Рис. 5 Полная схема

Даже если диоды не были пробиты, протекание большего тока и напряжения может привести к повреждению микроконтроллера, что также приведёт к непредсказуемым последствиям. Первый шаг для защиты входа – это ограничение тока.

Ограничение тока

Самый простой способ защиты – это токоограничивающий резистор (рис. 6). Сопротивление этого резистора таково, что падение напряжения на нем не влияет на напряжение на входе контроллера.

Этот резистор и входной резистор микроконтроллера образуют делитель напряжения, следовательно, его значение может быть довольно большим. Для большинства входов можно использовать значения от 100 Ом и до 10 кОм.

Я использовал резистор 1 кОм.

Рис. 6 Защита входа ограничением тока

Эта защита хорошо работает для коротких проводов. Рис. 7 показывает эффективность этой защиты. Минимальное напряжение с такой защитой составило -0,810 В.

Рис. 7 Эффективность защиты

Фильтрация

На рис. 6 выше показан простой ограничитель тока. При добавлении к данной схеме конденсатора (рис. 8) у нас получится ФНЧ (Фильтр Низких Частот), который обеспечит ещё более высокий уровень защиты.

Рис. 8 Использование ФНЧ

При использовании этой схемы следует внимательно отнестись к номиналам компонентов. Из-за предельных частотных характеристик схемы, значения резисторов и конденсаторов должно быть рассчитаны таким образом, чтобы микроконтроллер не пропустил ни одного сигнала. Для их расчета используйте следующую формулу:

Время нарастания сигнала = 2.2RC

Расчет значений R и C: Определите максимальную входную частоту. Выберите значение R. Используйте стандартное значение, например 1 кОм. С помощью вышеприведенной формулы определите значение C. Возможно значение С придётся немного изменить в ходе использования устройства.

На рис. 8, значения R и С 1 кОм и 0,01 мкФ, т.е. эта схема рассчитана на максимальную частоту 1 кГц. На рис. 9 показана эффективность этой схемы. Обратите внимание на более гладкие края. Это заслуга конденсатора.

Рис. 9 Эффективность RC фильтра

Также, RC фильтр обрезает ложные сигналы, которые могут давать неверные показания микроконтроллеру. К сожалению, при длинных проводах с этой схемой всё ещё могут быть скачки напряжения, что опасно для внутренних диодов.

Внешние диоды

Чтобы обезопасить внутренние диоды микроконтроллера, можно использовать внешние диоды Шоттки (рис.10.). Диоды Шоттки используются из-за того, что падение напряжения на них 0.2В, в отличие от падения 0.7В у внутренних диодов.

Обратите внимание, что для защиты диодов Шоттки от перегрузки по току используется резистор. Поскольку эти диоды работают очень короткое время, резистора около 10 Ом хватит.

Если ваши диоды Шоттки выдерживают кратковременные импульсы высокого тока, резистор можно упустить.

Рис. 10 Схема с внешними диодами

На рис. 11 показана эффективность этой схемы. Желтая линия – замеры на плюсе конденсатора, зелёная линия – замер между резистором 10 Ом и диодом Шоттки. Обратите внимание на отрицательный всплеск -0,650 В, что ниже напряжения падения встроенных диодов микроконтроллера.

Рис. 11 Результаты при использованием внешних защитных диодов

Другие идеи

В основном, другие идеи направлены на снятия сигнала с источника высокого напряжения (рис. 12).

Рис. 12 Схема для снятия показаний с повышенным напряжением

Диод служит для защиты от импульсов со значением меньше нуля.

После него использован стабилитрон для стабилизации напряжения на входе, он также убирает необходимость использования подтягивающего резистора.

Обратите внимание, что в данном случае, ограничительный резистор достаточно мал, чтобы обеспечить достаточный ток для стабилитрона. На рис. 13 показана эффективность этой схемы при подачи на вход 12В.

Рис. 13 Эффективность схемы при подачи на вход 12В

Заключение

При подключении к цифровым устройствам необходимо позаботится о защите. При использовании вышеприведенных достаточно простых и понятных схем можно избежать большего количества проблем в будущем.

Оригинал статьи

Источник: http://cxem.net/beginner/beginner102.php

Защита микросхем от ESD и перенапряжений

Введение

Выводы интегральных микросхем, предназначенные для подключения к внешним цепям или периферийным устройствам, подвержены риску воздействия электростатических разрядов.

Электростатический разряд (electrostatic discharge – ESD) представляет собой передачу энергии между двумя телами с разными электростатическими потенциалами. Он может происходить как в результате прямого контакта, так и в результате пробоя атмосферы между телами.

Разряд вызывает протекание импульса тока через внутренние цепи микросхемы и может приводить к ее частичному или полному повреждению.

Для защиты микросхем от электростатического разряда применяют дополнительные электронные компоненты – резисторы, диоды, стабилитроны, TVS диоды или супрессоры, буферные микросхемы. Данная статья представляет собой краткий обзор этих компонентов и схем на их основе.

Самая простая схема защиты от электростатического электричества представляет собой резистор, включенный между источником заряда и выводом интегральной микросхемы.

Последовательное сопротивление вместе с паразитной емкостью входа микросхемы (а также емкостью монтажа) образует низкочастотный пассивный фильтр.

Этот фильтр будет подавлять высокочастотную составляющую электростатического разряда, в которой сосредоточена большая часть его энергии.

Кроме того резистор будет ограничивать ток, протекающий через внутренние защитные цепи микросхемы вследствие разряда.

R1 – защитный резистор 50 – 200 Ом; D1, D2 – внутренние защитные диоды; C1 – паразитная емкость входа ~ 5 – 10 пФ

Чем выше значение сопротивления защитного резистора, тем лучшую защиту от ESD он будет обеспечивать. Естественно с ростом сопротивления резистора частота среза НЧ фильтра на входе микросхемы будет уменьшаться. Это нужно учитывать, если данный вход используется для ввода высокочастотного сигнала.

Многие интегральные микросхемы имеют встроенные защитные диоды. Как правило, эти диоды не рассчитаны на большие значения тока и имеют недостаточное быстродействие. Например, встроенные защитные диоды микроконтроллеров AVR выдерживают ток всего лишь в единицы миллиампер.

Перед тем как принять решение, требуется ли дополнительная схема защиты или можно ограничиться встроенной, внимательно изучите спецификацию на микросхему. Хотя данных на диоды или выдерживаемое напряжение разряда в спецификации может и не быть.

Схема на диодах будет ограничивать входное напряжение в пределах от – Vd до Vcc + Vd, где Vd – падение напряжения на диоде в прямом направлении. Ток разряда будет проходить или через верхний или через нижний диод, и «поглощаться» фильтрующими конденсаторами, источником питания и самими диодами. Иногда для дополнительной защиты между плюсом питания и «землей» подключают стабилитрон или TVS диод (D3 на схеме).

Если вход микросхемы используется для ввода высокочастотного сигнала, следует принимать во внимание тот факт, что диоды вносят дополнительную паразитную емкость. Величину паразитной емкости можно найти в спецификации на элемент.

Для защиты входов микросхем производители полупроводниковых компонентов выпускают специальные диодные сборки, в которых содержится сразу несколько диодов.

Традиционно стабилитрон применяется для получения стабилизированного (опорного) напряжения, но его также можно использовать для защиты входов интегральных микросхем от ESD, подключив между выводом микросхемы и «нулем» питания. Такая схема будет ограничивать напряжение на входе микросхемы в пределах от –Vd до Vs, где Vd – падение напряжения на стабилитроне в прямом направлении, а Vs – номинальное напряжение стабилизации.

Чтобы стабилитрон не оказывал влияние на работу схемы в штатном режиме, номинальное напряжение стабилизации должно быть выше напряжения входного сигнала.

Стабилитроны имеют большую емкость (десятки пФ) и поэтому плохо подходят для защиты высокоскоростных линий.

TVS (transient voltage supressor) диод – это полупроводниковый компонент, предназначенный для ограничения выбросов напряжений, амплитуда которых превосходит напряжение лавинного пробоя диода.

В нормальных условиях TVS диод находится в высокоимпедансном состоянии. Когда напряжение на диоде превышает рабочее, импеданс диода понижается, и ток разряда начинает течь через него. При понижении напряжения на TVS диоде он снова возвращается в высокоимпедансное состояние.

Вольтамперная характеристика TVS диода аналогична характеристике стабилитрона, поэтому их иногда путают друг с другом. На самом деле это разные приборы. TVS диоды были разработаны специально для защиты цепей от импульсов перенапряжения, в то время как стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения и не рассчитаны выдерживать значительные импульсы тока .

TVS диоды имеют высокое быстродействие, низкое рабочее напряжение и маленькую емкость, что делает их идеальными компонентами для защиты полупроводниковых компонентов от электростатического разряда.

Еще один вариант защиты входов/выходов интегральных микросхем от электростатического разряда — это использование буферных микросхем. Например, изображенный на схеме двунаправленный буфер 74ACTH245 согласно своей спецификации способен выдерживать электростатические разряды от 200 до 2000 вольт в зависимости от используемой модели разряда.

Источник: http://chipenable.ru/index.php/programming-avr/item/97-uchebnyy-kur

Защита входов АЦП

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2015

Alan Walsh, Analog Devices

EDN

Типичный вопрос, возникающий при разработке схем с аналого-цифровыми преобразователями – как защитить входы АЦП от чрезмерного напряжения. Здесь существует много разных подходов и решений. В этом плане АЦП всех производителей похожи друг на друга. Предлагаемая статья поможет понять, что может произойти при перегрузке входов, почему возникает перегрузка и как можно исправить ситуацию.

Перегрузка входов АЦП возникает, как правило, в тех случаях, когда напряжения шин питания входного буферного усилителя существенно превышают максимально допустимый диапазон входных напряжений АЦП, например, если усилитель питается напряжением ±15 В а входы АЦП – 0…5 В.

Такая ситуация особенно типична для промышленных устройств, и в частности для ПЛК, где для того, чтобы обрабатывать стандартные входные сигналы ±10 В, перед АЦП ставятся схемы нормализации, подключенные к высоковольтным шинам питания.

При возникновении сбоя в буферном усилителе это может привести к повреждению АЦП в случае превышения предельно допустимого входного напряжения, или к снижению точности преобразования в системах с несколькими АЦП.

В статье сделан акцент на способах защиты прецизионных АЦП последовательных приближений семейства AD798X, однако все, что будет сказано, применимо и к АЦП других типов.

Давайте обсудим вариант, показанный на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Типичная входная цепь АЦП на примере микросхемесемейства PulSAR.

Схема отражает внутреннее устройство входов АЦП AD798X (скажем, AD7980) семейства PulSAR. Между входом, выводом REF опорного напряжения и землей включены защитные диоды. Эти диоды, в случае микросхемы AD798X, способны выдерживать токи до 130 мА, но лишь в течение нескольких миллисекунд – не дольше, и не многократно.

В некоторых приборах, таких как AD768X/9X (например, AD7685 и AD7691) защитные диоды подключены не REF, а к выводу питания VDD. Напряжение питания VDD этих микросхем всегда больше или равно REF. Обычно такая защита работает лучше, поскольку шина VDD более устойчива к отводимому току и не столь чувствительна к помехам.

Рисунок 2.

Ограничение выходного напряжения усилителядля защиты входа АЦП.

В схеме на Рисунке 1 вывод питания усилителя подключен к шине +15 В, и если выходной сигнал драйвера приближается к этому напряжению, диод, защищающий REF, открывается, и усилитель пытается поднять напряжение в узле REF.

Если узел REF не буферизован достаточно мощной схемой драйвера, напряжение на REF (и на входе) превысит максимально допустимое значение, и, если оно окажется больше пробивного напряжения транзисторов микросхемы, АЦП может выйти из строя.

Осциллограмма для случая, когда выходное напряжение драйвера АЦП на 8 В превышает напряжение опорного источника, показана на Рисунке 3. Многие прецизионные источники опорного напряжения (ИОН) не способны принимать втекающий ток, что для данной схемы является проблемой.

Кроме того, хотя буфер опорного источника и может быть достаточно мощным для того, чтобы поддерживать напряжение на уровне, близком к номинальному значению, требуемая его точность при этом будет потеряна.

Рисунок 3.

На этих осциллограммах: желтый – вход АЦП, пурпурный – ИОН.Слева – без диодов Шоттки, справа – с диодами Шоттки.

Это означает, что в системах с синхронной выборкой нескольких АЦП, использующих общий источник опорного напряжения, результаты преобразования остальных АЦП будут искаженными, так как зависят от напряжения прецизионного опорного источника. Точность последовательных преобразований также может быть плохой, когда время восстановления после сбоя слишком велико.

Есть несколько различных подходов или их комбинаций, позволяющих смягчить эту проблему.

Самый распространенный способ – использование диодов Шоттки (например, семейства BAT54) для ограничения выходного напряжения усилителя до уровня, допустимого для АЦП. Сказанное иллюстрируется Рисунками 2 и 3.

Возможно также использовать диоды и для ограничения входных сигналов усилителя, если это соответствует требованиям конкретного приложения.

В данном случае выбраны диоды Шоттки из-за их малого прямого падения напряжения, благодаря которому они включаются раньше, чем внутренние защитные диоды АЦП. Последовательный резистор после диодов Шоттки также помогает ограничить входной ток, если внутренние диоды АЦП открыты не полностью.

Дополнительную защиту для случая, когда ИОН не может обеспечить втекающий ток, или же этот ток слишком мал, могут предоставить стабилитрон или схема ограничения, гарантированно не позволяющие напряжению в узле REF стать слишком высоким.

В примере на Рисунке 2 с источником опорного напряжения 5 В используется стабилитрон 5.6 В.

Пример осциллограммы, показанной на Рисунке 4, демонстрирует влияние на вход опорного источника (5 В) добавления диодов Шоттки на вход АЦП при синусоидальном входном сигнале. Диоды Шоттки подключены к земле и к системной шине 5 В.

Без диодов Шоттки в напряжении опорного источника образуются выбросы, когда входное напряжение становится выше опорного или ниже уровня земли на величину прямого падения на диоде.

Как можно видеть, диоды полностью очистили опорное напряжение от помех.

Рисунок 4.

Здесь: желтый – вход АЦП, зеленый – вход драйвера АЦП, пурпурный – ИОН (закрытый вход). Слева – без диодов Шоттки, справа – последобавления диодов Шоттки (BAT54S).

Необходимо обращать внимание на обратный ток утечки диодов Шоттки, поскольку в нормальном режиме работы схемы он может стать причиной искажений и нелинейности измерений.

Этот обратный ток очень сильно зависит от температуры, и обычно приводится в справочных данных.

Для целей защиты хорошо подходят диоды Шоттки серии BAT54, максимальный обратный ток которых равен 2 мкА при 25 °C и примерно 100 мкА при 125 °C.

Чтобы полностью решить проблему защиты от повышенных входных напряжений, можно использовать однополярное питание усилителя. Если буфер и ИОН питаются одним и тем же напряжением, это будет означать, что выходное напряжение буферного усилителя никогда не будет ниже шины земли или выше шины питания (в нашем примере это 5 В).

Можно также использовать ИОН для прямого питания усилителя, если, конечно, он способен отдавать достаточный ток. Еще один способ показан на Рисунке 5, где напряжение опорного источника выбрано чуть меньшим, чем напряжение питания (4.096 В при использовании шины питания 5 В) что значительно снижает возможность перегрузки входа.

Рисунок 5.

Использование более низкого напряжения опорного источникадля уменьшения перегрузки по напряжению.

Однако, позволяя решить проблему перегрузки входа по напряжению, такое решение сужает допустимый диапазон входных напряжений АЦП.

Максимальные уровни выходных напряжений типичного усилителя с выходом rail-to-rail могут лишь на десятки милливольт не доходить до шин питания, но важно учитывать требования по запасу на входах в конфигурации буфера с единичным усилением, который может составлять 1 В и более.

Этот подход дает решение, простое с точки зрения дополнительных элементов защиты, но зависящее от схемы источника питания и от rail-to-rail возможностей усилителя.

Для ограничения входного тока АЦП при перегрузке по напряжению может использоваться последовательное сопротивление в выходном RC-фильтре усилителя. Однако платой за это всегда будет ухудшение характеристик АЦП.

Бóльшие сопротивления последовательного резистора лучше защищают вход, но одновременно снижают точность АЦП. Это может быть приемлемым компромиссом, особенно, когда полоса частот входного сигнала невелика, или АЦП не работает на максимальной скорости.

Оптимальное сопротивление резистора подбирается экспериментально для каждого случая.

Из приведенных выше рассуждений можно заключить, что идеальных решений для защиты входов АЦП не существует, однако, в зависимости от требований конкретного приложения, использование отдельных индивидуальных решений или их комбинаций может обеспечить требуемый уровень защиты ценой приемлемого ухудшения общих характеристик.

Материалы по теме

Datasheet Analog Devices AD7980

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=164712

Добавьте защиту от короткого замыкания в ваш повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь – это DC-DC преобразователь, используемый для получения выходного напряжения, которое выше входного. Повышающие преобразователи также используются для управления светодиодами, включенными последовательно, в таких устройствах, как светодиодные фонари.

Данные преобразователи обладают уязвимостью к короткому замыканию в цепи нагрузки.

В данной статье обсуждается: почему повышающие преобразователи уязвимы к короткому замыканию, способы защиты повышающих преобразователей от короткого замыкания, и альтернативные преобразователи силовой электроники, которые не обладают данной уязвимостью, и которые могут быть использованы вместо повышающего преобразователя.

Введение в повышающие преобразователи

Как отмечалось ранее, повышающий преобразователь выдает выходное напряжение, которое выше входного. Примеры использования повышающих преобразователей включают в себя:

подача напряжения 5 В на порты зарядки для литиевых аккумуляторов;
подача напряжения на шины питания в смартфонах;
управление включенными последовательно светодиодами в светодиодных фонарях;
регулятор напряжения в проекте на основе Arduino;
создание высокого напряжения для запуска двигателя от одной ячейки литиевого аккумулятора.

На рисунке 1 изображена упрощенная схема повышающего преобразователя. Эта простая схема построена на конденсаторах, индуктивности, MOSFET транзисторе, и диоде.

Выход управляется через петлю обратной связи (не показана для простоты) с помощью управления коэффициентом заполнения, долей времени, во время которого транзистор находится в открытом состоянии.

Передаточная функция, или соотношение между выходным и входным напряжениями, составляет Uвых/Uвх = 1/(1-D), где Uвых – это выходное напряжение, Uвх – входное напряжение, D – коэффициент заполнения. В состав реального повышающего преобразователя входит микросхема ШИМ-контроллера, которая на рисунке 1 не показана.

Рисунок 1 – Упрощенная схема повышающего преобразователя

Обратите внимание, что если выходной вывод повышающего преобразователя замкнуть накоротко на корпус, то входное напряжение тоже будет замкнуто на корпус через индуктивность и диод.

Здесь нет никакого ограничения по току, который потечет в этом случае, и который будет ограничен лишь сопротивлением проводов и ограничением по току источника питания, подключенного к входу.

Повышающий преобразователь выйдет из строя вместе с диодом, катушкой индуктивности, или произойдет возгорание, расплавление или какое-либо другое катастрофическое повреждение, если не будут предприняты меры для защиты повышающего преобразователя.

Общая стратегия защиты

Общая стратегия защиты, изложенная в данной статье, заключается во включении коммутатора между источником питания и повышающим преобразователем, который будет использоваться для отключения повышающего преобразователя от источника питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки. Этот коммутатор может быть реализован на MOSFET транзисторе, на коммутаторе нагрузки, на микросхеме повышающего преобразователя с встроенным коммутатором защиты, или на предохранителе.

Защита с MOSFET транзистором

MOSFET транзистор, добавленный перед повышающим преобразователем, может использоваться для отключения от него источника питания. Посмотрите на упрощенные схемы на рисунках 2 и 3. MOSFET транзистор может потребовать дополнительной схемы для смещения затвора.

MOSFET транзистор с каналом n-типа требует, чтобы напряжение на его затворе было выше напряжения на его истоке. Это может потребовать микросхему драйвера затвора или накачку заряда. MOSFET транзистор с каналом p-типа требует, чтобы напряжение на затворе было ниже напряжения на его истоке.

Если входное напряжение достаточно велико, затвор MOSFET транзистора с каналом p-типа может быть подтянут к корпусу, чтобы открыть транзистор. По этой причине использование MOSFET транзистора с каналом p-типа может быть проще и легче.

Обратите внимание, что на обеих схемах диод на обозначении MOSFET транзистора направлен от повышающего преобразователя к источнику питания, поэтому ток будет заблокирован, пока транзистор не откроется.

При выборе MOSFET транзистора для данного использования необходимо учитывать максимально допустимое напряжение затвор-исток (VGS), сопротивление сток-исток открытого канала (RDS), пороговое напряжение включения транзистора (VGS(th)).

Читайте также: Радиоприемные устройства, тюнеры, антенны

Максимально допустимое напряжение сток-исток должно быть на несколько вольт выше максимального входного напряжения. Сопротивление открытого канала сток-исток должно быть достаточно низким, чтобы не создавать больших потерь P=I2R.

Пороговое напряжение включения транзистора должно быть достаточно низким, чтобы MOSFET транзистор мог легко открываться и закрываться.

Рисунок 2 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом n-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыканияРисунок 3 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом p-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания

Защита с коммутатором нагрузки

Коммутатор нагрузки – это мощный MOSFET транзистор с дополнительной микросхемой.

Дополнительные функции могут включать в себя накачку заряда и переключение уровня для смещения затвора MOSFET транзистора, также функции защиты от перегрузки по току, которые выключают коммутатор при очень больших токах. Использование коммутатора нагрузки имеет следующие преимущества перед использованием MOSFET транзистора:

уменьшается количество используемых компонентов;
уменьшается размер печатной платы;
уменьшается сложность конструкции, так как вам не нужно добавлять дополнительную схему управления.

Рисунок 4 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с коммутатором нагрузки на входе для защиты от короткого замыкания

Контроллеры повышающих преобразователей со встроенной защитой

Реальные повышающие преобразователи управляются микросхемой, которая регулирует преобразование напряжения. Некоторые из этих микросхем контроллеров повышающих преобразователей уже имеют встроенные механизмы защиты, такие как коммутация нагрузки.

Использование контроллера со встроенной защитой упрощает конструкцию, уменьшает количество используемых компонентов и уменьшает размер печатной платы.

В качестве примера микросхем повышающих преобразователей, в которые включены функции защиты, можно привести LM4510 и TPS61080 от Texas Instruments.

Рисунок 5 – Упрощенный пример использования микросхемы повышающего преобразователя со встроенной защитой

Защита с предохранителем

Предохранитель может быть размещен на входе или на выходе повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания в цепи нагрузки. Смотрите рисунок 6 в качестве примера.

Рисунок 6 – Защита с помощью предохранителей на входе или выходе повышающего преобразователя. Обратите внимание, что защитные цепи на коммутаторе нагрузки и MOSFET транзисторе также могут быть размещены между выходом преобразователя и нагрузкой, как изображена защитная цепь на предохранителе.

Автор рекомендует использовать другие подходы, описанные в данной статье, так как конструкция с предохранителем доставляет больше неудобств. Если произойдет короткое замыкание, предохранитель сгорит и потребуется его замена.

Схемы, построенные на дополнительных защитных MOSFET транзисторах, коммутаторах нагрузки или интегрированной защите, не требуют замены каких-либо компонентов, если конвертеры работают правильно. Эти технические решения сохранят конечному пользователю время и деньги, необходимые для замены сгоревшего предохранителя.

Кроме того, предохранители не срабатывают так быстро, как можно было бы ожидать, прочитав документацию. Это может привести к выходу из строя компонентов и проводников до того момента, когда сгорит предохранитель.

Схемы, использующие MOSFET транзисторы, коммутаторы нагрузки и микросхемы со встроенной защитой, могут отключить нагрузку за микросекунды или быстрее, обеспечивая дополнительную безопасность и надежность для схемы. Тем не менее, решение с предохранителем может быть простым и дешевым для реализации.

Заключение

Повышающие преобразователи используются везде, но страдают от уязвимости к коротким замыканиям в цепи нагрузки.

Данная статья обсуждает несколько подходов к устранению этой уязвимости, включая использование MOSFET транзисторов, коммутаторов нагрузки, микросхем со встроенной защитой и предохранителей для отключения повышающего преобразователя в случае короткого замыкания в цепи нагрузки.

Оригинал статьи

David Knight. Add Short Circuit Protection to Your Boost Converter

Источник: https://radioprog.ru/post/95

Устройства защиты 1143

Устройства защиты способны обеспечить надежную работоспособность электронной бытовой и промышленной аппаратуры от воздействия импульсных помех в сети, перепадов и всплесков напряжения.

Одним из типов защитного элемента электрической цепи является газовый разрядник, выполняющий роль стабилизатора «прыгающего» напряжения. Эту функцию выполняет газовая дуга между двух герметичных электродов при всплеске напряжения, вследствие чего, его сопротивление увеличивается, защищая при этом нагрузку.

Ряд моделей этого изделия в двух и трехвыводных корпусах представлены изготовителями Bourns, Epcos, Citel.

Для защиты входа источника питания аппаратуры очень часто применяется варистор, который установлен параллельно нагрузке. При броске сетевого напряжения сопротивление варистора резко уменьшается, и весь ток проходит через него, защищая при этом аппаратуру. Модельный ряд варисторов представлен ведущими фирмами Joyin, Epcos, Fenghua, Прогресс.

Защиту импульсных источников питания с успехом выполняют термисторы, которые подключаются последовательно в цепь питания, ограничивая максимальный зарядный ток накопительного конденсатора, термистор предотвращает воздействие повышенного напряжения на работу нагрузки. Маркируется компонент на корпусе, где указаны: его тип, диаметр, сопротивление при 25°, максимальный рабочий ток.

Одним из способов избавиться от различных помех, поступающих из сети, использование фильтра ЭМП. Линейка представленных изделий компаниями Epcos, Murata, Ferrico, Jianli — это гарантированная безопасная работоспособность Вашего оборудования.

Фильтры встраиваются на вход устройства последовательно с цепью питания. Характеристики указаны на корпусе изделия, в большинстве из них, схема включения.

Так как, основная часть электроники работает от сети переменного тока, не исключаются случаи перегрузки электрической сети от большого количества электроприборов и оборудования.

Автоматы защиты от производителя Sang Mao помогут вовремя отключить нагрузку от сети в случае перегрузок или короткого замыкания. Автомат можно установить как, в распределительный щиток, так, и в корпус крупногабаритного изделия. При покупке товара следует обращать внимание на его характеристики: рабочее напряжение и ток срабатывания.

Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Волгоград, Воронеж, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Калуга, Краснодар, Красноярск, Минск, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Пермь, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Тверь, Тула, Уфа, Челябинск. Доставка заказа почтой или через салоны «Евросеть» в следующие города: Тольятти, Саратов, Барнаул, Ульяновск, Тюмень, Иркутск, Ярославль, Оренбург, Томск, Кемерово, Хабаровск, Владивосток и др.

Товары из группы «Устройства защиты» вы можете купить оптом и в розницу.

Источник: https://www.chipdip.ru/catalog/protection-devices

Контроль сигналов низкого напряжения

Входные линии портов МК реагируют на изменение напряжения относительно общего провода. Следовательно, в этом смысле МК можно отнести к классу пороговых устройств и использовать стандартные схемы из импульсной техники.

Если амплитуда приходящих сигналов гарантированно не превышает напряжения питания Vcc и не имеет отрицательной составляющей, то входные линии МК можно вообще не защищать (Рис. 3.9, а…к).

Если существует вероятность появления на входе МК импульсных помех, выходящих за диапазон от —0.5 В до Ксс+0.5 В, значит требуется дополнительная защита в виде пассивных ограничителей (Рис. 3.10, а…н) или активных буферных каскадов (Рис. 3.11, а…о).

Рис. 3.9. Схемы подачи низковольтных сигналов на линии портов МК (начало):

а) элементы R1, С1 фильтруют входной сигнал. Резистор R2 нужен при большой ёмкости конденсатора С1 для снижения тока через входной диод М К при снятии питания;

б) однозвенный фильтр L1, C1 имеет достаточно крутой спад частотной характеристики;

в) диоды VDl…VDn и резистор R1 выполняют логическую функцию «ИЛИ»;

г) диоды VDl…VDn и резистор R1 выполняют логическую функцию «И»;

д) НИЗКИЙ уровень UBXi…UQX^ влюбом из каналов приводит к изменению напряжения на входе обработки прерывания INT за счет диодов VDL..VDn. Это стандартный способ экономичного «прослушивания» состояния датчиков, когда МК находится в «спящем» режиме;

е) резистором R1 выставляется оптимальный уровень срабатывания цифрового входа МК (может применяться и внутренний АЦП). Конденсатор С1 пеполярный большой ёмкости, чтобы можно было на вход подавать сверхнизкочастотные сигналы;

ж) обработка сигналов произвольной формы. Резистором R1 устанавливается начальное напряжение в канале АЦП при отсутствии сигнала. Вместо АЦП может быть цифровая линия;

з) замыкание контактов кнопки SBI позволяет исследовать сигналы с постоянной составляющей. Резисторы RI, R3 создают достаточно большую нагрузку для входного сигнала при крайних положениях симметрирующего резистора R2;

и) ёмкостный делитель входного переменного сигнала на конденсаторах С/, С2

к) приём одногосигнала потрём линиям МК. Используются: АЦП, обычный цифровой порт и вход прерывания INT. Переключение между тремя каналами программное.

Рис. 3.10. Схемы защиты линий МК пассивными ограничителями (начало):

а) защита входа МК внутренними диодами, ток через которые ограничивается резистором R2 на уровне 1 …2 мА при всплесках напряжения входного сигнала от -20 до+25 В;

б) если помеха имеет большую амплитуду и мощность, то надо защищать внутренние диоды М К внешними диодами Шоттки VDI, VD2. Источник питания +5 В должен быть мощным и иметь обратную связь по напряжению, чтобы при помехах поддерживался стабильный уровень;

в) конденсатор С/ подавляет импульсные помехи. Сборка диодов Шоттки VD1 имеет малые габариты. Резистор RI не даёт линии МК «висеть в воздухе» при отсутствии сигнала;

г) при UBX 5 В оба диода закрываются, что защищает линию МК от перенапряжений;

д) амплитуда входного сигнала регулируется резистором R2. Защитная цепь состоит только из одного диода VDI, поскольку входной сигнал всегда положительный;

е) резистор R2 входит в состав делителя напряжения (R1) и одновременно «привязывает» к общему проводу линию МК, чтобы она не «висела в воздухе» при отсутствии сигнала;

ж) TVS-диод VD1 ограничивает мощные импульсные помехи. Ещё защита — R3, диоды М К;

з) диоды VDI, VD2 обычные (не Шоттки), поэтому наличие ограничительного резистора R3 обязательно. Его сопротивление можно уменьшить на порядок; О

и) на элементах VD1, HL1 собран аналог стабилитрона с пороговым напряжением 4.9…5.1 В. Резистор R1 подбирается так, чтобы при максимуме входного сигнала обеспечивался ток в диапазоне 3…20 мА через индикатор MLI, чтобы он светился и указывал на наличие сигнала;

к) светодиод HL1 служит индикатором большой амплитуды (порог задается стабилитроном VD1). Конденсатор С/ фильтрует помехи, резистор R3 ограничивает ток через диоды М К;

л) резистор R2 ограничивает ток через стабилитрон VD2, а резистор R3 — через внутренние диоды МК. Если установить перемычку S1, то во входной датчик будет подаваться постоянный ток не более 1.5 мА. Диод Шоттки VD1 предотвращает попадание высокого напряжения извне в цепь питания +5 В при перегрузках;

м) TVS-диод VD1 (называют также «сапрессор» или «супрессор», от англ. «supressor») может кратковременно рассеивать очень большую мощность. Резистор R2 обеспечивает начальное запирание диодов VD2, VD3. Резистор R3 снижает ток через внутренние диоды МК.

н) предохранитель Fill может быть обычным или самовосстанавливающимся. Двухсторонний TVS-диод VD1 может применяться, например, SM BJ5.0CA (5.0 В), Р6КЕ6.8СА (6.8 В).

а) усилитель-формирователь на транзисторе VT1 (усилитель для слабых сигналов, формирователь прямоугольных импульсов для сигналов большой амплитуды). Резистор защищает линию МК от короткого замыкания на GND, если она по ошибке программиста станет выходом;

б) обработка ВЧ-сигналов с частотой до 1 МГц. Диод VD1 защищает переход «база — эмиттер» транзистора VTI от больших отрицательных напряжений;

в) буферный усилитель переменного напряжения звуковой частоты. Резистор R1 можно про-градуировать в децибелах или вольтах. Резистором R2 подбирают порог срабатывания;

г) транзисторный эквивалент логического элемента «2-ИЛИ-НЕ» (аналог РТЛ-логики);

д) логическое «ИЛИ-НЕ» на диодах VDl…VDn с инвертором на транзисторе VT1. Замыкание контактов кнопки SB1 позволяет сымитировать открытый транзистор VTI в тестовых целях;

е) транзистор VT2 вводится в уже существующее изделие для съёма информации со стока транзистора VTI. Благодаря высокому входному сопротивлению VT2 работа не нарушается;

ж) микросхема детектора «просадок» питания DA I служит защитным буфером для М К, а также входным элементом в порогом срабатывания 2.1…4.5 В в зависимости от модификации DA1;

з) транзистор VT1 служит защитным буферным повторителем напряжения;

О Рис. 3.11. Схемы защиты линий МК активными буферными каскадами {окончание):

и) стабилизатор DAI защищает МК от всплесков напряжения амплитудой до +30 В. Если питание М К осуществляется от источника +3 В, то DA 1 лучше заменить микросхемой 78L03;

к) усилитель DAI служит буферным элементом и выполняет функцию детектора перехода двухполярного сигнала UBX через нуль;

л) «визуальный» датчик наличия напряжения +8…+14 В насветодиоде HL1. Транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор стабильного тока 3 мА;

м) определитель знака входного постоянного напряжения (плюс или минус), не реагирующий на переменные звуковые сигналы. Может применяться в устройстве защиты УНЧ от пробоя выходных транзисторов. Конденсаторы С1, С2 должны быть неполярными большой ёмкости;

н) резистором R2 устанавливается гистерезис компаратора DA1 в пределах 50…70 мВ;

о) первая ступень защиты — стабилитрон VD1, вторая — транзистор VT1, третья — внутренние диоды МК и ограничительный резистор R5. Резистором /Урегулируется чувствительность.

Источник: http://cxema.my1.ru/publ/skhemy_ustrojstv_na_mikrokontrollerakh/ustrojstva_na_mk/kontrol_signalov_nizkogo_naprjazhenija/29-1-0-2434

Защита электронных приборов от перенапряжения

Читать все новости ➔

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. Частой причиной выхода из строя электронного оборудования, например, блоков питания, является наличие в сети импульсов перенапряжения.

Они могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, связанными с грозовыми разрядами, “перекосом” напряжений на фазах в жилых помещениях, а также различными переходными процессами.

Кратковременное повышение напряжения вызывает повреждение электроприборов, в первую очередь блоков питания электронных устройств (так например, перегорание проводов первичной обмотки трансформаторов в дешевых китайских блоках питания).

На практике, для защиты элементов цепи от импульсных перенапряжений используют RC-цепочки, LC-фильтры, а также специальные устройства, называемые разрядниками.

Разрядники обычно подключаются параллельно защищаемому оборудованию и представляют собой нелинейные резисторы с высоким сопротивлением в обычном состоянии (рабочее открытое состояние), и резко уменьшенным после приложения импульса напряжения.

К числу разрядников обычно относят:

-газонаполненные (искровые)разрядники;

-кремниевые ограничительные диоды, стабилитроны;

-варисторы.

Самым дешевым способом защиты от повышенного напряжения является применение варисторов. ( Варистор [англ. varistor, от vari (able) – переменный и (resi) stor – резистор] полупроводниковый нелинейный резистор.

Принцип защиты схемы варистором (см. рис. ниже ) состоит в резком уменьшении его внутреннего сопротивления до долей Ом при возникновении импульса напряжения, и соответствующее шунтирование защищаемого объекта. Результатом является резкое увеличение тока, протекающего через варистор.

Для защиты электронных устройств (телевизор, компьютер, холодильник и т.д.) в штепсельную вилку монтируются два варистора (см. рис. ниже), например S10K275 фирмы EPCOS (подобные варисторы часто ставят на входе сетевых фильтров, два – для уменьшения энергии, выделяющейся на одном варисторе и повышения надежности).

Обозначение варистора расшифровывается:

S – дисковый варистор;

10K – диаметр диска в мм;

275 – допустимое при нормальной работе действующее значение переменного напряжения в вольтах (пиковый ток такого варистора- 2500 ампер в течение короткого промежутка времени).

Штепсельная вилка закрывается и вставляется в свободную розетку, расположенную ближе к вводу в квартиру.

При нормальном напряжении в электросети ток через варисторы практически отсутствует.

Но при перенапряжении варисторы играют роль перемычки и вызывают короткое замыкание в сети, которое вызывает срабатывание автоматического выключателя (“автомата”) на вводе в жилое помещение и отключение ее от повышенного напряжения.

При этом варисторы могут выйти из строя (спасая при этом электроприборы ), поэтому необходимо убедиться в их целостности после подобного инцидента.

Возможно, Вам это будет интересно:

Источник: http://meandr.org/archives/4058

MP8037ADCЦифровой модуль защиты и управления с функцией измерения (реле напряжения)

MP8037ADC – Цифровой модуль защиты и управления с функцией измерения (реле напряжения) купить в Мастер Кит. Драйвер, программы, схема, отзывы, инструкция, своими руками, DIY

У нас Вы можете купить Мастер Кит MP8037ADC – Цифровой модуль защиты и управления с функцией измерения (реле напряжения): цена, фото, DIY, своими руками, технические характеристики и комплектация, отзывы, обзор, инструкция, драйвер, программы, схема

Мастер Кит, MP8037ADC, Цифровой модуль защиты и управления с функцией измерения (реле напряжения), цена, описание, фото, купить, DIY, своими руками, отзывы, обзор, инструкция, доставка, драйвер, программы, схема

https://masterkit.ru/shop/1904123

Готовый модуль

Автоматическое управление / Домашняя автоматика

1 350

+68 бонусов на счет

в корзине 0 шт.

Этот товар доступен по предзаказу* со скидкой 9%.
Ориентировочный срок поставки – 9-10 нед.

* скидка действует только для физ.лиц

Напряжение питания (В)	12
Тип питания	постоянный
Потребляемый ток, не более (мА)	50
Рекомендованная температура эксплуатации (°С)	-30…+60
Мощность подключаемой нагрузки, максимальная (Вт)	50
Точность измерения температуры, – град.С	0,5
Длина (мм)	76
Вес, не более (г)	100
Ширина (мм)	45
Высота (мм)	15
Вес	63

Инструкции

Схема

Комплект поставки

Модуль MP837ADC – 1 шт.
Инструкция. – 1 шт.

Что потребуется для сборки

Для подключения понадобится: провод, отвертка, бокорезы.

Подготовка к эксплуатации

Проверка:
Подайте питание 12В, соблюдая полярность. На дисплее должен отобразиться “0”.
Замкните пинцетом или отверткой контакты входа АЦП +5V и ADC_IN. На дисплее должно отобразиться значение “1000”.
Проверка завершена. Приятной эксплуатации.

Условия эксплуатации

Температура -30С до +50С.
Относительная влажность 20-80% без образования конденсата.

Меры предосторожности

Не превышайте максимально допустимое напряжение питания.
Не превышайте максимально допустимое входное напряжение.
Не соблюдение данных требований приведет к выходу устройства из строя.

Источник: https://masterkit.ru/shop/1904123

Цифровое устройство защиты с функцией измерения

фото от nusik1975 Андрей

Схема устройства защиты показана на рис. 1. Основа устройства микроконтроллер PICI6F873,. На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения, которое используется и как образцовое для встроенного АЦП микроконтроллера DDI.

Линии порта RA5 и RA4 запрограммированы как входы АЦП для измерения напряжения и тока соответственно, a RA3 — для управления полевым транзистором. Датчиком тока служит резистор R2, а датчиком напряжения — резистивный делитель R7R8. Сигнал датчика тока усиливает ОУ DAI. 1. а ОУ DA1.

2 использован как буферный усилитель.

Основные технические характеристики Пределы измерения напряжения, В …………………………0..50 Пределы измерения тока, А ………………………………0.05..9,99 Пороги срабатывания защиты: по току. А……………………………………….от 0,05 до 9.99 с шагом 0,01 по напряжению.

В……………………………….от 0,1 до 50 с шагом 0,1 Время срабатывания защиты: среднее при одной включенной защите, мс………..0.075 среднее при двух включенных защитах, мс ………..0,075 максимальное, мс…………………………………………………….1 Напряжение питания, В ………………………………………….

9…40

Максимальный потребляемый ток, мА ……………………….50

При нажатии на кнопку SB3 «Авто в режиме установки выполняется выход на рабочий режим, а в рабочем режиме — автоматическая установка защиты.

В последнем случае значения тока и напряжения, при которых срабатывает защита, автоматически устанавливаются больше текущих значений напряжения и потребляемого тока на две единицы младшего разряда.

Большинство деталей, кроме индикаторов, кнопок и разъемов смонтированы на печатной плате, чертеж которой показан на рис. 2. Оксидные конденсаторы — К50-35 или аналогичные импортные. С2 — К10-17, К73-24. ОУ DA1 — КР1040УД1.

Светодиодные семиэлементные индикаторы могут быть любые с общим катодом, кнопки — малогабаритные с самовозвратом, например DTST-6, постоянные резисторы — МЛТ, С2-22. подстрочный — СП5-16ВА-0.25.

Резистор R2 изготовлен из отрезка высокоомного провода, в авторском варианте использован резистор от вышедшего из строя мультиметра М-830. Полевой транзистор — мощный переключательный с n-каналом фирмы International Rectifier, желательно с буквой L в первой части названия, так как для его открывания достаточно напряжения 3.5…5 В. При токах нагрузки более 5 А сопротивление открытого канала должно быть не более 0,01 Ом. Необходимо обратить внимание на то, чтобы максимально допустимый ток стока был больше тока нагрузки.

Рисунок 2

алаживание начинают с установки подстроенным резистором R4 выходного напряжения (5,12 В) стабилизатора на микросхеме DA2. при этом предварительно микроконтроллер удаляют. Затем его устанавливают и подают на вход напряжение 10…15 В.

Измеряя это напряжение цифровым вольтметром, сравнивают его показания с показаниями индикатора устройства и при небольших отличиях добиваются их совпадения резистором R4. При этом следует учесть, что напряжение питания микроконтроллера не должно превышать 5,5 В.

В случае необходимости подбирают резистор R7. Для налаживания измерителя тока к выходу устройства подключают нагрузку с последовательно включенным амперметром. При токе 100мА сравнивают показания и добиваются их совпадения подбором резистора R5.

Затем проверяют точность показаний при токе в несколько ампер.

Работа с устройством. Поскольку в память записаны максимальные значения тока и напряжения, при которых срабатывает защита, при первом включении прибора на 3 с появится изображение, которое показано на рис. 3.

По истечении этого интервала времени — изображение текущих значений напряжения и тока, например, как на рис. 4. Если нажать на кнопку SB3 «Авто» и отпустить, то на 3 с появится изображение установленных значений тока и напряжения срабатывания защиты (рис.

5) Если защита до нажатия на кнопку SB3 «Авто» была выключена, то она включится.

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

При нажатии на кнопку SB1 «Установка» устройство переходит в режим установки и нажатиями на кнопку SB2 «Разряд» выбирают разряд, в котором кнопкой «Установка» устанавливают нужную цифру. В четвертом и восьмом разрядах кнопкой «Установка» включают или выключают защиту по току и напряжению соответственно.

Если индицируется буква «У», то защита включена. Для примера, на рис. 6 показано, что защита по напряжению включена. а по току — выключена. При выключенной защите установленные значения могут быть любыми.

Переход из режима установки в рабочий режим можно выполнить как перемещением запятой за пределы индикатора, так и нажатием на кнопку SB3 «Авто» после установки любого разряда. В рабочем режиме выключенная защита индицируется приподнятыми буквами «u» и «i», как показано на рис. 7.

После срабатывания защиты устраняют причину, ее вызвавшую. Возвращают устройство в исходное состояние, отключив и включив источник или включив режим «Установка», а затем нажимая на кнопку SB3 «Авто». Необходимо отметить, что устройство реагирует на нажатие кнопок после их отпускания.

Если присутствует дребезг контактов, то параллельно кнопкам следует установить конденсаторы емкостью 0.047…0,22 мкФ. Питать устройство желательно от отдельного источника.
Это устройство можно применить для зарядки аккумуляторных батарей.

Для этого ко входу через ограничительный резистор, сопротивление которого определяет ток зарядки, подключают источник питания с соответствующими выходными напряжением и током, а к выходу — аккумулятор. Защиту по току выключают, а защиту по напряжению включают, установив значение напряжения, до которого необходимо зарядить аккумулятор.

прошивка — скачать

печатная плата — скачать

Источник: http://elektro-shemi.ru/cifrovoe_ustrojstvo_zashhity_s_funkciej_izmerenija.html