Способы защиты транзисторов от пробоя

Методы защиты транзисторов от пробоя.

Методы защиты транзисторов от пробоя.

Область безопасной работы транзистора определяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя. Применение транзисторов в цифровых и импульсных устройствах копиров связано с возмож­ностью их использования в качестве основы для построения различных схем управления исполнительными узлами и механизмами.

Границы областей безопасной работы (ОБР) транзистора зависят от температуры его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево (рис. 1). Границы ОБР, обуслов­ленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не за­висят.

Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в ко­ординатах I _К ( U _КЭ ). Различают статическую и импульсную ОБР. Статическая ОБР (рис. 2, а) ограничивается участками: то­кового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного про­боя (4). При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

Рис. 1. Температурная зависимость тока стока полевого транзистора с p / n -переходом

Импульсная ОБР определяется максимальным импульсным током коллектора I К.И.МАКС и максимальным импульсным напряжением пробоя U КЭ. И.МАКС . При малых длительностях импульсов на ней могут отсутствовать участки, обусловленные тепловым пробоем. При длительности импульса менее 1 мкс импульсная ОБР име­ет только две границы I К.И.МАКС и U КЭ. И.МАКС . При увеличении длительности импульса появляются участки, ограничивающие ОБР за счет развития вторичного пробоя (3) и теплового пробоя (2).

Рис. 2. Области безопасной работы биполярного транзистора в статистическом режиме (а) и импульсном режиме (б) при различных длительностях импульсов тока коллектора.

При использовании транзистора необходимо обеспечить нахождение его рабочей точки внутри ОБРбез выхода за ее пределы. Даже кратковременный выход рабочей точки за пределы соответствующей ОБР влечет за собой попадание транзистора в область пробоя. С целью защиты тран­зистора от возможного пробоя обычно формируют траекторию его переключения при работе в ключевом режиме. Для этого к транзистору подключают дополни­тельные цепи, содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Парамет­ры этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным путем. Неко­торые из таких схем приведены на рис. 3.

Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке транзистора, состоит из последовательно соединенных элементов R и С, как показано на рис. 3 а. Эта цепь работает следующим образом. При запирании транзистора с индуктивной нагрузкой ток в индуктивности, не меняя своего значения и направ­ления, поступает в RC -цепь и заряжает конденсатор С. При этом часть энергии, запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе R . Благодаря этому исключается импульс большой амплитуды на коллекторе транзистора, который вывел бы рабочую точку за пределы ОБР.

Элементы такой цепи рассчитываются по формулам:

где U _М — разность между напряжением источника питания Е_Ки максимально допу­стимым напряжением коллектор-эмиттер, определяемым по соответствующей ОБР. Вместо RC -цепи можно использовать диодно-резистивную цепь, представлен­ную на рис. 3 б. В этой схеме при запирании транзистора отпирается диод D , и через него проходит ток индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды им­пульса тока в диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление R . Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению напряжения на дио­де, т. е. практически отсутствует.

Рис. 3. Защита транзистора от лавинного пробоя при помощи L С-цепи (а), шунтирующего диода (б) и стабилитрона (в)

Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора при его запирании можно использовать ограничитель на стабилитроне D , как показано на рис. 3, в. Все рассмотренные цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавин­ного пробоя.

Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим теплового пробоя применяют охладители, к которым крепится корпус транзистора. Применение охладителей позволяет уменьшить перегрев транзистора.

Наиболее сложной проблемой является за­щита транзисторов от вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор теряет управление по базе, и даже подавая на базу об­ратное смещение, запереть его нельзя. Един­ственным способом защиты транзистора в этом случае является распознавание развития вто­ричного пробоя во время задержки и шунтиро­вание выводов коллектор-эмиттер транзистора с помощью быстродействующего тиристора.

Упрощенная схема защиты транзистора от вторичного пробоя приведена на рис. 4. Схема содержит устройство управления тиристором D защиты, который шунтирует транзистор Т при появлении в его базе колебаний, предшествую­щих развитию вторичного пробоя.

Рис. 4. Защита транзистора от вторичного пробоя.

Методы защиты транзисторов от пробоя.

Область безопасной работы транзистора определяет границы интервала надежной работы транзистора без захода в область одного из видов пробоя. Применение транзисторов в цифровых и импульсных устройствах копиров связано с возмож­ностью их использования в качестве основы для построения различных схем управления исполнительными узлами и механизмами.

Границы областей безопасной работы (ОБР) транзистора зависят от температуры его корпуса. С увеличением температуры корпуса транзистора границы ОБР, обусловленные тепловым пробоем, перемещаются влево (рис. 1). Границы ОБР, обуслов­ленные лавинным или вторичным пробоем, практически от температуры не за­висят.

. Обычно область безопасной работы (ОБР) строится в ко­ординатах I _К ( U _КЭ ). Различают статическую и импульсную ОБР. Статическая ОБР (рис. 2, а) ограничивается участками: то­кового пробоя (1), теплового пробоя (2), вторичного пробоя (3) и лавинного про­боя (4). При построении ОБР в логарифмическом масштабе все ее участки имеют вид прямых линий.

Источник

Защита силового транзистора от потенциального пробоя

n-канальный MOSFET + стабилитрон на 7.2…15V + резистор в пару десятков килоом = БЕЗОПАСНОСТЬ

[Read in English]

Задачка-то, вроде, тривиальная. Да и зачем кому-либо вообще может понадобиться защищать какие-бы то ни было электронные изделия от переполюсовки источника питания?

Увы, у коварного случая найдётся тысяча и один способ подсунуть вместо плюса минус на устройство, которое ты много дней собирал и отлаживал, и оно вот только что заработало.

Приведу лишь несколько примеров потенциальных убийц электронных макеток, да и готовых изделий тоже:

• Универсальные источники питания с их универсальными штеккерами, которые можно подключить как с плюсом на внутреннем контакте, так и с минусом.
• Маленькие блоки питания (такие коробочки на сетевой вилке) — они ведь все выпускаются с плюсом на центральном контакте, разве нет? НЕТ!
• Любой тип разъёма для подачи питания без жёсткого механического «ключа». К примеру удобные и дешёвые компьютерные «джамперы» с шагом 2.54мм. Или зажимы «под винт».
• Как вам такой сценарий: позавчера под рукой были только чёрные и синие провода. Сегодня был уверен, что «минус» — это синий провод. Чпок — вот и ошибочка. Сначала-то хотел использовать чёрный и красный.
• Да просто если уж день на задался — перепутать пару проводов, или воткнуть их наоборот просто потому, что плату держал кверхтормашками…

Всегда найдутся человеки (я знаком как минимум с двумя такими перцами), которые глядя прямо в глаза заявят жёстко и безапелляционно, что уж они то никогда не совершат такой глупости, как переполюсовка источника питания! Бог им судья. Может, после того, как сами соберут и отладят несколько оригинальных конструкций собственной разработки — поумнеют. А пока я спорить не буду. Просто расскажу, что использую сам.

Истории из жизни

Я ещё совсем молоденький был, когда пришлось мне перепаивать 25 корпусов из 27. Хорошо ещё это были старые добрые DIP микросхемы. С тех самых пор я почти всегда ставлю защитный диодик рядом с разъёмом питания.

Кстати, тема защиты от неверной полярности питания актуальна не только на этапе макетирования. Совсем недавно мне довелось стать свидетелем героических усилий, предпринимаемых моим другом по восстановлению гигантского лазерного резака. Причиной поломки был горе-техник, перепутавший провода питания сенсора/стабилизатора вертикального перемещения режущей головки. На удивление сама схемка, похоже, выжила (была-таки защищена диодом в параллель). Зато выгорело всё напрочь после: усилители, какая-то логика, контроль сервоприводов…

Защитный диод последовательно с нагрузкой

Это, пожалуй, самый простой и безопасный вариант защиты нагрузки от переполюсовки источника питания. Одно только плохо: падение напряжения на диоде. В зависимости от того, какой диод применён, на нём может падать от примерно 0.2В (Шоттки) и до 0.7…1В — на обычных выпрямительных диодах с p-n переходом. Такие потери могут оказаться неприемлимыми в случае батарейного питания или стабилизированного источника питания. Так же, при относительно большых токах потребления, потери мощности на диоде могут быть весьма нежелательными.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком. Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.

Скачать статью

Защитный диод параллельно с нагрузкой

При таком варианте защиты нету никаких потерь в нормальном режиме работы. К сожалению, в случае переполюсовки источник питания рискует надорваться. А если источник питания окажется слишком силён — выгорит сначала диод, а за ним и вся защищаемая им схема. В своей практике я иногда использовал такой вариант защиты от переполюсовки, особенно когда был уверен, что источник питания имеет защиту от перегрузки по току. Тем не менее однажды я заработал весьма чёткие отпечатки на обожженых пальцах коснувшись радиатора стабилизатора напряжения, который пытался бороться супротив толстенного диода Шоттки.

Плата защиты от переполюсовки своими руками

Приветствую, Самоделкины!

Как известно, многие самодельные, а также фабричные устройства часто не имеют защиты от не правильного включения полярности питания, иными словами не имеют защиты от переполюсовки питания. В частности, это относится к разным самоделкам, а также к готовым устройствам, усилителям звука, врезным звуковым модулям и т.д.

Любой пользователь, по невнимательности случайно может перепутать полярность питания, после чего в подавляющем большинстве случаев устройству может потребоваться срочная помощь в виде ремонта. А может случиться даже так, что устройство после таких издевательств просто-напросто придет в негодность, и никакой ремонт уже на поможет вернуть его к жизни.

Для того, чтобы избежать такой неприятной ситуации, следует использовать защиту от переполюсовки. Они бывают разные. Один из популярных вариантов — это применение по питанию диодов или диодных мостов, которые способны пропускать ток только в одном направлении и тем самым предотвращая вероятность переполюсовки. Это довольно бюджетное и наиболее простое решение. Но есть и минус у такого метода защиты, а именно, наличие падения напряжения на диоде. Не стоит забывать также то, что при больших токах и наличии падения напряжения, диоды довольно неслабо нагреваются и если не использовать охлаждение, то они могут выйти из строя.

Например, на данном усилителе звука с микросхемой TDA7377 установлен диодный мост.

В данном случае в первую очередь он используется здесь как выпрямитель напряжения при питании от источника тока с переменным напряжением. А вот если устройство подключить к источнику питания с постоянным напряжением, то данный диодный мост работает именно как защита от переполюсовки. И как бы мы не подключали аккумулятор, диодный мост предотвратит переполюсовку, пропуская ток в правильном направлении.

А если бы вместо диодного моста был просто диод по плюсу, то при неправильном подключении питания (переполюсовке) диод не пропустит ток и усилитель просто не включится.

Но, как говорилось выше, и диодного моста и диод имеют падение напряжения. Чтобы это продемонстрировать, автор YouTube канала «Radio-Lab» произвел замер напряжения до и непосредственно после диодного моста.

Как видим, напряжение на аккумуляторе составляет 12,06В, а уже после диодного моста напряжение примерно на 1,5В ниже. Вроде бы потери не такие уж и большие, но это в свою очередь повлияет на мощность усилителя, в итоге она будет немного ниже и часть энергии аккумулятора пойдет на нагрев диодного моста.

Давайте рассчитаем потери и тепловыделение на диодном мосту. Например, при токе нагрузки 2А и падении напряжения на диодном мосту в 1,5В, тепловыделение на диодном мосту составит порядка 3Вт. А дополнительные потери не есть плюсом, особенно при питании усилителя звука или другого устройства от аккумулятора, где энергию желательно тратить экономно и ее количество в аккумуляторе ограничено.

Вот для сравнения падения напряжения на обычном диоде:

Как видим оно составляет около 0,4В. На диоде Шоттки падение напряжения уже ниже и составляет 0,2В.

Падение напряжения на диодном мосту самое большое и составляет 0,6В.

Во время нагрузки, падения напряжения могут быть немного выше. По сути, перепутать полярность питания можно не часто, зато потеря при наличии падения на диодах или диодном мосту буду постоянными и как следствие будет нагрев, что в свою очередь ведет к необходимости в охлаждении. Как видим, диоды в качестве защиты от переполюсовки использовать можно, они работают, но хочется все же защиту получше, чтобы не было нагрева, потери были минимальными, и хорошими рабочими токами. Автор предлагает одну простую, но довольно хорошую схему защиты от переполюсовки по питанию на мощном полевом транзисторе.

Данная схема подойдет для защиты устройств с однополярным питанием. Силовой транзистор полевой — IRF1405 мощный N-канальный.

Такой транзистор способен коммутировать достаточно большой ток и в свою очередь имеет довольно небольшое сопротивление, из-за чего падение напряжения практически не будет, а, следовательно, практически полностью будет отсутствовать нагрев, или он будет минимальным, не будет таких потерь, как на диодах.

Автор нарисовал для данной схемы защиты вот такую миниатюрную платку.

Работа схемы предельно проста: если все правильно подключено, транзистор открыт, и ток проходит через транзистор.

При не правильном подключении полярности питания транзистор закрывается, тем самым создавая разрыв в цепи питания и попутанный плюс дальше транзистора не проходит.

На радиорынке были куплены все необходимые детали для сборки платы защиты.

В первую очередь автор устанавливает резистор 100кОм на место и припаивает его.

Дальше займемся установкой стабилитронов на 15В 0,5Вт, обязательно соблюдая полярность по меткам катодов.

Далее установка неполярный конденсатор емкостью 0,1мкФ.

Теперь клеммники на вход и выход питания.

Плата практически готова, остался всего один элемент — силовой транзистор. Для его установки автор согнул ножки транзистора — вот так:

И установил его на свое место. Получилась вот такая небольшая и удобная плата защиты от переполюсовки по питанию для усилителей и устройств с однополярным питанием. Однополярное питание — это где есть два провода питания: плюс и минус. После окончания пайки плату необходимо помыть от остатков флюса, чтобы все было чисто и красиво.

А теперь давайте проверим работоспособность собранной нами платы защиты. Для проверки платы подключим к ее входу аккумулятор с напряжением питания 12,1В. К выходу платы автор подключил щупы мультиметра. Сначала подключаем аккумулятор правильно, соблюдая полярность.

Как видите, на выходе платы есть напряжение, а падение напряжения такое низкое, что мультиметр его не замечает. Теперь меняем полярность питания и подключаем аккумулятор, перепутав плюс с минусом.

Как видим, транзистор закрылся, плата защиты сработала и уже ничего не пропускает, тем самым защищает устройство (в данном примере мультиметр) от переполюсовки. Если снова подключить питание правильно, то транзистор откроется и на выходе платы появится напряжение аккумулятора. Отлично, плата работает. После того, как мы протестировали самодельную плату и убедились в ее работоспособности, можно подключать плату защиты к усилителю звука. Усилитель будем использовать самый простой на микросхеме TDA7377 без какой-либо защиты от переполюсовки, и если спутать полярность питания, то, как минимум взорвется полярный конденсатор по питанию и сгорит микросхема.

Плата защиты подключается в разрыв плюса и минуса питания усилителя, на котором существует вероятность переполюсовки. Провода питания выходящие с платы защиты к плате усилителя обязательно подключаем соблюдая полярность.

Все, теперь наш усилитель имеет защиту, и переполюсовка ему не страшна. Подключаем питание правильно.

Как видим, светодиод на усилителе засветился, все хорошо, питание усилителя есть. А теперь, подключаем питание перепутав полярность.

Как видим, ничего не задымило и светодиод на плате усилителя не светится, следовательно, питание на усилитель не поступает, а значит наша самодельная плата защиты работает и свою задачу полностью выполняет.

Эту плату можно использовать для защиты от переполюсовки усилителей звука с однополярным питанием, в том числе и усилителей D класса тоже, портативных колонок и многих других устройств. Помните, если есть хоть малейшая вероятность перепутать полярность питания, то в нужный момент, как минимум, защита от переполюсовки сохранит вам деньги и защитит ваше изделие от случайной переполюсовки и как следствие поломки.

Важно также понимать, что в одних случаях удобнее использовать диоды или диодный мост как защиту от переполюсовки, а в других собранную плату защиты, это уже надо смотреть по задачам. Пробуйте, собирайте и повторяйте. Архив с платой можно скачать ЗДЕСЬ. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

p-channel MOSFET — удачное, но дорогое решение

Это относительно простое решение практически лишено недостатков: ничтожное падение напряжения/мощности на проходном устройстве в нормальном режиме работы, и отсутствие тока в случае переполюсовки. Единственная проблема: где добыть качественные недорогие мощные p-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором? Если знаете — буду благодарен за информацию

Источник