Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją zasilania

Zdarza Wam się? Mnie się zdarza. Rzadko, ale jak już się zdarzy to spektakularnie. A spektakularnie zazwyczaj oznacza: kosztownie. Ostatnio mi się zdarzyło na tyle spektakularnie, że postanowiłem napisać ten artykuł jako forma pokuty. Pokuty za zbytnią pewność siebie – no bo przecież mi się nie zdarzy.
Czyli jak możemy zabezpieczyć nasz układ przed odwrotnym podłączeniem do niego zasilania? Metod jest kilka. Te najprostsze, o których chciałbym Wam napisać, widzimy na obrazku poniżej.

Dioda prostownicza

Na rysunku a) mamy najprostsze możliwe zabezpieczenie w postaci diody prostowniczej. Jak wiemy, dioda przewodzi w jednym kierunku. I o to nam właśnie chodzi, aby podczas odwrotnego podłączenia zasilania przez nasz układ nie przepłynął prąd. Rozwiązanie proste, ale nie pozbawione wad. Otóż na typowej diodzie prostowniczej, włączonej w układ jak na rysunku, będzie występował spadek napięcia rzędu ok. 0,8V. Dla wartości podanych na rysunku (prąd 1A i napięcie 10V), taki spadek będzie oznaczał ok. 0,8W mocy traconej na diodzie (z prawa Ohma wiemy, że P=U*I, co daje 0,8V*1A=0,8W). Dużo i niedużo. Jeśli układ zasilamy z baterii i chcemy, aby zużywał on jak najmniej energii, to może to stanowić problem. Dlatego to rozwiązanie, mimo że bardzo proste, stosuje się zazwyczaj w układach, gdzie ów spadek napięcia i moc tracona na diodzie nie są dla nas istotne.

Dioda Schottky`go

A co jakby zamiast diody prostowniczej zastosować diodę Schottky`go jak na rysunku b)? Wiemy przecież, że występuje na niej mniejszy spadek napięcia niż na zwykłej diodzie prostowniczej. Wynosi on zazwyczaj ok. 0,5V. Dla naszych danych przykładowych da to 0,5V*1A=0,5W, a więc lepiej, ale tylko trochę, bo o 0,2W w stosunku do diody prostowniczej. Czyli dalej sporo. Dodatkowo, przy wyborze diody Schottky`go, należy zwrócić uwagę w katalogu na prąd upływu wstecznego, który może wynosić nawet kilkadziesiąt mA. A tego byśmy nie chcieli.
Stary, dobry bezpiecznik topikowy
Ale jak to?! Przecież bezpiecznik to taki element, który spali się (zadziała) po przekroczeniu danego prądu, a nie pod wpływem złej polaryzacji. Tak więc aby nasze zabezpieczenie zadziałało, musimy jakoś ten prąd wymusić i to tylko wówczas, gdy polaryzacja zasilania będzie nieprawidłowa. Tutaj przychodzi nam z pomocą nasza stara, znajoma dioda prostownicza. Układ połączenia widzimy na rysunku c). Dioda jest włączona równolegle z zasilaniem, tak, że anoda jest połączona z minusem, a katoda przez bezpiecznik do plusa. W momencie gdy zasilanie zostanie włączone odwrotnie niż powinno, dioda zacznie gwałtownie przewodzić, co wymusi przepływ prądu przez nią i przez bezpiecznik, a to oczywiście doprowadzi do przepalenia bezpiecznika. Oczywiście jeśli bezpiecznik będzie odpowiednio dobrany. Wartość bezpiecznika musi być na tyle duża, aby nie przepalał się podczas pracy układu, a jednocześnie wystarczająco mała aby źródło zasilania było w stanie dostarczyć prąd odpowiedni do przepalenia bezpiecznika. Rozwiązanie to ma niestety tę wadę, że po zadziałaniu trzeba wymienić bezpiecznik na nowy. No chyba że zastosujemy odpowiedni poliswitch który sam się „regeneruje” 😉

MOSFET z kanałem typu P

W układzie jak na rysunku d) mamy wykorzystany tranzystor polowy MOSFET z kanałem typu P, wpięty w układ w „plusowej” szynie zasilania. W momencie gdy napięcie jest podłączone prawidłowo, przez diodę, która znajduje się w wewnętrznej strukturze tranzystora, jak i przez jego kanał przepływa prąd. Dzieje się tak gdyż bramka tranzystora (G) znajduje się na niższym potencjale niż źródło (S). Jeśli z kolei napięcie zasilania zostanie podłączone odwrotnie to potencjał będzie wyższy i kanał tranzystora nie będzie przewodził. Zaletą takiego rozwiązania jest bardzo niska rezystancja otwartego tranzystora (rezystancja pomiędzy źródłem(S) a drenem (D)). Wynosi ona zazwyczaj ok. 0,1Ώ. Co daje nam niewielkie spadki napięcia i niewielką moc traconą na tranzystorze. Podstawiając sobie do naszych danych z rysunku: P=I^2*R czyli 1^2 * 0,1Ώ = 0,1W – znacznie lepiej niż poprzednio 😉

MOSFET z kanałem typu N

Na ostatnim rysunku e) mam układ w zasadzie taki sam jak na rysunku d), ale wykorzystany jest MOSFET z kanałem typu N. Układ działa na tej samej zasadzie co poprzedni, z tym że odwrotnie 😉 Zaletą z kolei stosowania N-MOSFETA jest fakt, że mają one zazwyczaj dużo mniejszą rezystancję dren-źródło, a co za tym idzie jeszcze mniejsze straty na tranzystorze.