Как работает диодная защита

Область применения диодов не ограничивается только выпрямителями. На самом деле эта область очень широка. В числе прочего диоды используются и для защитных целей. Например для защиты электронных устройств при их ошибочном включении неправильной полярностью, для предохранения входов различных схем от перегрузки, для предотвращения пробоев полупроводниковых ключей от импульсов ЭДС самоиндукции, возникающих в моменты отсоединения индуктивных нагрузок и т. д.

С целью защиты входов цифровых и аналоговых микросхем от перегрузок по напряжению, применяют цепочки из двух диодов, которые подключают в обратном направлении к шинам питания микросхемы, а средняя точка диодной цепочки соединяется с защищаемым входом.

Если на вход схемы подается нормальное напряжение, то диоды пребывают в закрытом состоянии, и почти никак не влияют на работу микросхемы и схемы в целом.

Но как только потенциал защищаемого входа выйдет за пределы напряжения питания, один из диодов перейдет в проводящее состояние и станет шунтировать данный вход, ограничивая таким путем разрешенный потенциал входа значением питающего напряжения плюс прямое падение напряжения на диоде.

Цепочки подобного рода иногда бывают сразу включены в интегральную микросхему еще на стадии проектирования ее кристалла, либо ставятся в схему позже, на этапе разработки узла, блока или всего устройства. Защитные двухдиодные сборки выпускаются и в виде готовых микроэлектронных компонентов в трехвыводных транзисторных корпусах.

Если диапазон защитного напряжения необходимо расширить, то вместо подключения к шинам с потенциалами питания, диоды подключают к точкам с другими потенциалами, которые обеспечат требуемый разрешенный диапазон.

На длинных проводных линиях возникают порой мощные помехи, например от грозовых разрядов. Для защиты от них могут потребоваться более сложные схемы, содержащие не только два диода, но и резисторы, разрядники, конденсаторы и варисторы.

При отключении индуктивной нагрузки, например обмотки реле, дросселя, электромагнита, электродвигателя или магнитного пускателя, по закону электромагнитной индукции — возникает импульс ЭДС самоиндукции.

Как известно, именно ЭДС самоиндукции оказывает препятствие уменьшению тока через любую индуктивность, стремясь как-бы поддержать ток через нее неизменным. Но в момент когда источник тока от катушки отключается, магнитное поле индуктивности должно куда-то рассеять свою энергию, величина которой равна

Так вот, как только индуктивность отключается, она сама превращается в источник напряжения и тока, а на закрытом ключе в этот момент возникает напряжение, значение которого может быть опасным для ключа. Для полупроводниковых ключей это чревато пробоем самого ключа, ибо энергия будет быстро и с очень высокой мощностью рассеиваться на ключе. Для механических же выключателей последствиями могут быть искрение и обгорание контактов.

В силу своей простоты, диодная защита очень широко распространена, и позволяет защищать различные ключи, взаимодействующие с индуктивной нагрузкой.

Для защиты ключа с индуктивной нагрузкой, диод включается параллельно катушке в таком направлении, чтобы когда по катушке изначально течет рабочий ток, диод был бы заперт. Но как только ток в катушке отключается, возникает ЭДС самоиндукции, которая имеет полярность противоположную ранее приложенному к индуктивности напряжению.

Данная ЭДС самоиндукции отпирает диод, и теперь ток, который в предыдущий момент был направлен через индуктивность, движется уже через диод, а энергия магнитного поля рассеивается на диоде либо на снабберной цепи, в которую он включен. Таким образом коммутирующий ключ не будет поврежден чрезмерным напряжением, приложенным к его электродам.

Когда защитная схема включает в себя лишь один диод, напряжение на катушке окажется равно величине прямого падения напряжения на диоде, то есть в районе от 0,7 до 1,2 вольт, в зависимости от величины тока.

Но поскольку напряжение на диоде в этом случае мало, ток станет спадать медленно, а для того чтобы ускорить выключение нагрузки, может понадобиться применение более сложной защитной схемы, включающей не только диод, но и последовательно диоду — стабилитрон, либо диод с резистором или варистором – полноценную снабберную цепочку.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Способы защиты транзисторов от эдс самоиндукции

Защита коммутаторов ( если можно это так назвать )…

Защита выходных транзисторов от перенапряжений, вызываемых ЭДС самоиндукции

Ч0 защищать ? Ну в первую очередь выходной силовой транзистор ,к оторый дергает мандушку зажигания и испытывает нехилы нагрузки ( до 400 вольт,до 20 ампер,а то и больше). Второе по вылетанию звено – датчики,задающие момент зажигания .Т ретье – сами мелкосхемы,вылетающие при перенапряжениях и мильных импульсах «на входе».Плюс – соблюдение теплового режима .

Транзыстор в основном вылетает от перенапряжения — при колебательном процессе во вторичной обмотке мандушки зажигания (когда искра идет – для дибилов) ,в первичной обмотке индуцируется ЭДС самоиндукции до 400в,которая с радостью идет на транзистор,который – если не расчитан на такие напряжения участка К-Э (коллехтор-ебмиттер) – так же с радостью вылетает ( ясен болт,лежи себе спокойно в помойке и не грейся под током)

— и при превышении проходящего через него тока – когда переход КЭ открыт (идет накопление в первичной обмотке) ,по нему может жарить 20,а то и больше Ампер .Е сли транзюк на такой ток расчитан,и если превышение его максимального тока импульсное – то как правило ничего ему не делается,а вот если нет – опять же вылетает.

Защита от перенапряжений – самая простая – это мощный стабилитрон (или несколько последовательно включеных) парралельно участку К-Э

Стабилитрон выбирается просто – смотрится какой транзюк (его марка) ,в справочнике ли в инете узнается его максимальное напряжение участка коллехтор-ебмиттер – и под это же (ну или чуть ниже,чтоб с запасом) напряжение выбирается стабилитрон,по параметру «напряжение пробоя» (или стабилитронЫ,для включения последовательно,т.е. друг за другом),током от ампера и выше. K примеру – нужно ограничить до 400 вольт ,тогда есть вариант – или два стабилитрона КС680 ( с напряжением пробоя 180 вольт каждый),включенные последом ( общее будет 180+180=360 воль) , или 4 стаба Д817Г по 100 в каждый ( соответственно в сумме будет 400в)… ну или искать буржуйский мощный под эти же параметры.

Другой способ – стабилитрон в участок коллектор-база :

Принцип – при увеличении напряга до уровня пробоя стабилитрона,тот пробивается и на базу транзюка прет ток,который его приоткрывает на период действия импулса перенапряжения .П роводящий участок колектор-эмиттер шунтирует источник напряжения,ограничивая импульс на приемлемом уровне. Обычно туда лепят КС518.

Третий – наверное наиболее путний – за счет «внутренних средств» управляющей микросхемы ( L 497, KC 1055 )

В ентой микрухе реализована возможность защиты транзистора от перенапряжений – но вот не во всех моделях коммутаторов она включена — заботой производятелов о своевременном «вылете» коммутатора и отдаванием наших денег за новый…

Сидит эта возможность на 15-м выводе (если микруха в 16-ти ножном корпусе .Е сли ног 20 – то на 18-м) , выглядит таким вот хреном

Напряжение расчитывается по формуле (22,5/ R 3+ 0,005)* R 2+22,5

По даташиту R 2 5 килоом, R 3 350 ом,напряжение около 350 в. Варьируя номиналы можно устанавливать требуемый порог ограничения напряжения .О дин момент – прежде чем расчитывать – надо знать на какое напряжение расчитан транзистор,т.е. позырить его марку и порыться в справочнике.Хотя иногда их ставят не в корпусне а просто как пластинку,залитую компаундом,безо всяких маркировок ( встречались такие BU 941)…

Ограничения по току тут не распейсываю,т.к. обычно оно уже задействовано производятелами штатными средствами мокросхемы .Е динственный момнет,который указывался – менять токоограничивающий резистор,если он выполнен в виде припаяной полоски железа – на обычный резюк 0,1 Ом , 2 Ватта,марки С5-16МВ – дескать у пластинки края хреново пропаяны могут быть.

Следующий пункт по частоте вылетания – датчик Холла . Вылетать любит от бросков напряжения, и по непроверенной инфе – от изменения намагниченности меняются характеристики .Н у и заводской брак есть,как у мну было… Защита – опять же или стабилитроны по питанию ( по справочнику,напряжение питания от 6 до 16 вольт,допускаемые кратковременные броски напряга в бортсети ( до 10 микросекунд) – 42в у датчика ДМИ-01 и 34в у IAV 2 A , IAV 10 A , IAV 50 A ) или стабилизатор (извращенцы могут поставить внешний на КРЕН5 J ), на заводах в некоторые моджели коммутаторов лепят такой параметрический стаб :

Менять вылетевший дрочевно ,з аделан он там так что надо будет сымать датчик-распределитель с двигла, вытаскивать вал…менее дрочевно ежели есть аварийный вибратор (в коммутаторе ли отдельно) – можно на ем доехать до гаража ли СТО,сношаться уже там.

Электромагнитный датчик – скажу честно,не общался .Е динственный момент,какой про него знаю – что может Эдс на нем до сотни (или сотен) вольт достигать… ну и из его описания сделал домыслы – опять же намагниченность и провода в обмотке перегореть ли оборваться могут…

Еще пункт «вылетания» — сами микросхемы и входные части коммутаторов ,т е что сигнал с датчика принимают…

Микрухи L 497 и аналоги летят опять же «по питанию» , внутренний стаб микрухи ограничивает это дело от 7 до 8 вольт, дополнительный (7 вывод) – аж до 27,так что стабилитроны по питанию лишними не будут,ну и электрику развалюхи в порядке надо содержать,регулятор напряжения тот же…

Еще иногда на вывод «входа сигнала от датчика» тоже стаб вешают ,т ипа КС456,или конденсатор 2,2 нФ – для ограничения импулься ежели таковой возникнет.

Вылетание входной части обычно бывает у коммутаторов ,р аботающих с электро-магнитным датчиком,т.к. производители лепят (вернее лепили) туда обычно ту же L 497 и ее аналоги,дорабатывая «вход» транзисторным каскадом,дабы сигнал датчика был понятен микрухе. Для э/м датчика существует своя микруха ,и менуемая как L 484, и ее Российский аналог К1055КП1 (видимо недавно появился,т.к. ранее об ем не слыхал ).Вот тот транзюковый каскад обычно и вылетает,вотправда от чего – не скажу т.к. не знаю,гы-гы-гы. Догадываюсь что опять же «по питанию» или от ЭДС-а выше сотни вольт (см .в ыше).

Источник

Меры по защите сигнализаторов при возникновении ЭДС самоиндукции

В процессе эксплуатации сигнализаторов уровня имеющих дискретный (релейный, транзисторный) выход, зачастую подключают индуктивную нагрузку (устройства, имеющие в своём составе катушку индуктивности). Последствия возникновения ЭДС самоиндукции при размыкании таких электрических цепей крайне негативно отражаются на работоспособности контактов реле и выходных каскадов датчиков, уменьшая их срок эксплуатации.

В целях устранения пагубного влияния ЭДС самоиндукции применяются искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.

Не вдаваясь в физику переходных процессов рассмотрим наиболее действенные и широко применяемые искрогасящие цепи постоянного и переменного тока.

Цепи постоянного тока

Кремниевый диод включается параллельно индуктивной нагрузке, при замыкании контактов и в установившемся режиме не оказывает никакого воздействия на работу схемы. При отключении нагрузки возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку. Диоды наиболее эффективно предохраняют контакты реле от обгорания и являются лучшим решением, по сравнению с любыми другими схемами искрогашения. Такой способ применим и к сигнализаторам с транзисторным выходом.

Правила выбора обратного диода:

• Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для нагрузок с рабочим напряжением до 250В DC и рабочим током до 5 А вполне подходит распространенный кремниевый диод 1N4007 с обратным напряжением 1000В DC и максимальным импульсным током до 20 А;
• Выводы диода должны быть как можно короче;
• Диод следует припаивать (привинчивать) непосредственно к индуктивной нагрузке, без длинных соединительных проводов — это улучшает ЭМС при процессах коммутации.

Цепи переменного и постоянного тока

RC-цепь является наиболее дешёвым и широко применяемым средством защиты цепей как переменного, так и постоянного тока.

В отличие от диодных схем, RC-цепи можно устанавливать как параллельно нагрузке, так и параллельно контактам реле. В некоторых случаях нагрузка физически недоступна для монтажа на ней искрогасящих элементов, и тогда единственным способом защиты контактов остается шунтирование контактов RC-цепями.

Расчет RC-цепи, подключаемой параллельно контактам реле:

где С — ёмкость RC-цепи, мкф
I — рабочий ток нагрузки, А

где R — сопротивление RC-цепи, Ом
E0 — напряжение на нагрузке, В
I — рабочий ток нагрузки, А

Проще всего пользоваться универсальной номограммой. По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

RC-цепь, подключаемая параллельно нагрузке:

Применяется там, где нежелательна или невозможна установка RC-цепи параллельно контактам реле. Для расчета предлагаются следующие ориентировочные значения элементов:

• С = 0,5 . 1 мкф на 1 А тока нагрузки;
• R = 0,5 . 1 Ом на 1 В напряжения на нагрузке или
• R = 50. 100% от сопротивления нагрузки.

Приведенные значения R и С не являются оптимальными. Если требуется максимально полная защита контактов и реализация максимального ресурса реле, то необходимо провести эксперимент и опытным путем подобрать резистор и конденсатор, наблюдая переходные процессы с помощью осциллографа.

Для защиты выходных транзисторных каскадов сигнализаторов RC-цепь подключают параллельно нагрузке.

Источник: Компания «РусАвтоматизация»

Источник