Čo sa týka ochrany elektrických obvodov pred nesprávnou polaritou napájania pomocou tranzistora s efektom poľa, spomenul som si, že som už dlho mal nevyriešený problém automatického odpájania batérie od nabíjačky, keď je nabíjačka bez napätia. A začal som byť zvedavý, či je možné podobný prístup uplatniť aj v inom prípade, kde sa od nepamäti používala aj dióda ako vypínací prvok.
Tento článok je typickým sprievodcom na stavbu bicyklov, pretože... hovorí o vývoji obvodu, ktorého funkčnosť je už dávno implementovaná do miliónov hotových zariadení. Žiadosť preto nepovažuje tento materiál za niečo úplne utilitárne. Je to skôr jednoducho príbeh o tom, ako sa rodí elektronické zariadenie: od rozpoznania potreby až po funkčný prototyp cez všetky prekážky.
Načo to všetko je?
Pri zálohovaní nízkonapäťového zdroja jednosmerného prúdu je najjednoduchší spôsob, ako zahrnúť olovenú batériu ako vyrovnávaciu pamäť, jednoducho paralelne so sieťovým napájaním, ako sa to robilo v autách, kým nemali zložité mozgy. Aj keď batéria nepracuje v najoptimálnejšom režime, je vždy nabitá a nevyžaduje žiadne prepínanie napájania pri vypnutí alebo zapnutí sieťového napätia na vstupe zdroja. Nižšie si povieme podrobnejšie o niektorých problémoch takéhoto začlenenia a pokuse o ich riešenie.Pozadie
Ešte pred 20 rokmi nebola takáto otázka na programe dňa. Dôvodom bolo zapojenie typického sieťového zdroja (alebo nabíjačky), ktoré zabraňovalo vybitiu batérie do jej výstupných obvodov pri vypnutí sieťového napätia. Pozrime sa na najjednoduchší blokový obvod s polovičným usmernením:Je celkom zrejmé, že tá istá dióda, ktorá usmerňuje striedavé napätie sieťového vinutia, zabráni aj vybitiu batérie na sekundárne vinutie transformátora pri vypnutí sieťového napätia. Obvod usmerňovacieho mostíka s plnou vlnou, aj keď je o niečo menej zrejmý, má presne rovnaké vlastnosti. A ani použitie parametrického stabilizátora napätia s prúdovým zosilňovačom (ako je rozšírený mikroobvod 7812 a jeho analógy) nemení situáciu:
Ak sa pozriete na zjednodušený obvod takéhoto stabilizátora, je zrejmé, že emitorový prechod výstupného tranzistora hrá úlohu tej istej vypínacej diódy, ktorá sa zatvára, keď sa stratí napätie na výstupe usmerňovača, a zachováva nabitie batérie neporušené.
V posledných rokoch sa však všetko zmenilo. Transformátorové zdroje s parametrickou stabilizáciou boli nahradené kompaktnejšími a lacnejšími spínanými AC/DC meničmi napätia, ktoré majú oveľa vyššiu účinnosť a pomer výkon/hmotnosť. Ale so všetkými výhodami majú tieto napájacie zdroje jednu nevýhodu: ich výstupné obvody majú oveľa zložitejšiu konštrukciu obvodu, ktorá zvyčajne neposkytuje žiadnu ochranu proti spätnému toku prúdu zo sekundárneho obvodu. Výsledkom je, že pri použití takéhoto zdroja v systéme v tvare „BP -> vyrovnávacia batéria -> záťaž“ sa pri vypnutí sieťového napätia začne batéria intenzívne vybíjať do výstupných obvodov napájacieho zdroja.
Najjednoduchší spôsob (dióda)
Najjednoduchším riešením je použiť Schottkyho bariérovú diódu pripojenú na kladný vodič spájajúci napájanie a batériu:
Hlavné problémy takéhoto riešenia však už odzneli v uvedenom článku. Okrem toho môže byť tento prístup neprijateľný vzhľadom na skutočnosť, že 12-voltová olovená batéria vyžaduje napätie najmenej 13,6 voltov, aby fungovala v režime vyrovnávacej pamäte. A takmer pol voltu spadajúceho cez diódu môže toto napätie v kombinácii s existujúcim napájaním urobiť jednoducho nedosiahnuteľným (presne môj prípad).
To všetko nás núti hľadať alternatívne spôsoby automatického prepínania, ktoré by mali mať tieto vlastnosti:
- Nízky pokles napätia vpred pri zapnutí.
- Schopnosť vydržať bez výrazného zahrievania jednosmerný prúd spotrebovaný z napájacieho zdroja záťažou a vyrovnávacou batériou pri zapnutí.
- Vysoký spätný pokles napätia a nízka vlastná spotreba vo vypnutom stave.
- Normálne vypnutý stav, takže keď je nabitá batéria pripojená k pôvodne odpojenému systému, nezačne sa vybíjať.
- Automatický prechod do zapnutého stavu pri pripojení sieťového napätia bez ohľadu na prítomnosť a úroveň nabitia batérie.
- Najrýchlejší možný automatický prechod do vypnutého stavu pri výpadku prúdu.
Naivné riešenie (jednosmerné relé)
Pri analýze požiadaviek každého čo i len trochu „vedomého“ napadne na tento účel použiť elektromagnetické relé, ktoré je schopné fyzicky zopnúť kontakty pomocou magnetického poľa vytvoreného ovládaním. prúd vo vinutí. A pravdepodobne napíše niečo také na obrúsok:
V tomto obvode sa normálne otvorené kontakty relé zatvoria iba vtedy, keď prúd preteká vinutím pripojeným k výstupu napájacieho zdroja. Ak však prejdete zoznam požiadaviek, ukáže sa, že tento obvod nezodpovedá bodu 6. Koniec koncov, ak boli kontakty relé raz zatvorené, strata sieťového napätia nevedie k ich otvoreniu z dôvodu, že vinutie (a s ním aj celý výstupný obvod napájacieho zdroja) zostáva pripojené k batérii cez rovnaké kontakty! Typický je prípad pozitívnej spätnej väzby, kedy má riadiaci obvod priame spojenie s výkonným obvodom a v dôsledku toho systém získava vlastnosti bistabilného spúšťača.
Takýto naivný prístup teda nie je riešením problému. Navyše, ak logicky analyzujete súčasnú situáciu, ľahko prídete na to, že v intervale „BP -> vyrovnávacia batéria“ za ideálnych podmienok iné riešenie ako ventil vedúci prúd jedným smerom jednoducho nemôže byť. V skutočnosti, ak nepoužívame žiadny externý riadiaci signál, potom bez ohľadu na to, čo robíme v tomto bode obvodu, ktorýkoľvek z našich spínacích prvkov po zapnutí spôsobí, že elektrina vytvorená batériou bude na nerozoznanie od elektriny vytvorenej Zdroj.
Kruhový objazd (AC relé)
Po uvedomení si všetkých problémov predchádzajúceho bodu „hrabajúci sa“ človek zvyčajne príde s novým nápadom použiť samotný zdroj ako jednosmerný vodivý ventil. Prečo nie? Koniec koncov, ak napájací zdroj nie je reverzibilné zariadenie a napätie batérie dodávané na jeho výstup nevytvára na vstupe striedavé napätie 220 voltov (ako sa to stáva v 100% prípadov v reálnych obvodoch), potom tento rozdiel môže použiť ako riadiaci signál pre spínací prvok:
Bingo! Všetky požiadavky sú splnené a jediné, čo je na to potrebné, je relé schopné zopnúť kontakty, keď je naň privedené sieťové napätie. Môže to byť špeciálne striedavé relé určené pre sieťové napätie. Alebo bežné relé s vlastným mini-napájaním (tu stačí akýkoľvek beztransformátorový znižovací obvod s jednoduchým usmerňovačom).
Mohli sme oslavovať víťazstvo, ale toto rozhodnutie sa mi nepáčilo. Po prvé, musíte niečo pripojiť priamo k sieti, čo nie je dobré z hľadiska bezpečnosti. Po druhé, skutočnosť, že toto relé musí spínať značné prúdy, pravdepodobne až desiatky ampérov, a preto nie je celý dizajn taký triviálny a kompaktný, ako by sa mohlo zdať na začiatku. A po tretie, čo taký pohodlný tranzistor s efektom poľa?
Prvé riešenie (FET + merač napätia batérie)
Hľadanie elegantnejšieho riešenia problému ma priviedlo k poznaniu, že batéria pracujúca v režime vyrovnávacej pamäte pri napätí asi 13,8 voltov, bez externého „dobíjania“, rýchlo stráca svoje pôvodné napätie aj bez zaťaženia. . Ak sa začne vybíjať na napájacom zdroji, tak v prvej minúte stratí minimálne 0,1 voltu, čo je viac než dosť na spoľahlivú fixáciu jednoduchým komparátorom. Vo všeobecnosti je myšlienka takáto: brána komutačného tranzistora s efektom poľa je riadená komparátorom. Jeden zo vstupov komparátora je pripojený k stabilnému zdroju napätia. Druhý vstup je pripojený k rozdeľovaču napätia zdroja. Okrem toho sa deliaci koeficient volí tak, aby napätie na výstupe deliča pri zapnutí napájania bolo približne o 0,1 až 0,2 voltu vyššie ako napätie stabilizovaného zdroja. Výsledkom je, že pri zapnutí napájania bude napätie z deliča vždy prevládať, ale keď je sieť bez napätia, keď napätie batérie klesá, úmerne s týmto poklesom klesá. Po určitom čase bude napätie na výstupe deliča menšie ako napätie stabilizátora a komparátor preruší obvod pomocou tranzistora s efektom poľa.Približná schéma takéhoto zariadenia:
Ako vidíte, priamy vstup komparátora je pripojený k zdroju stabilného napätia. Napätie tohto zdroja v zásade nie je dôležité, hlavné je, že je v rámci povolených vstupných napätí komparátora, ale je vhodné, keď je približne polovičné ako napätie batérie, teda asi 6 voltov. Inverzný vstup komparátora je pripojený na delič napájacieho napätia a výstup je pripojený k hradlu spínacieho tranzistora. Keď napätie na inverznom vstupe prekročí napätie na doprednom vstupe, výstup komparátora spojí bránu tranzistora s efektom poľa so zemou, čo spôsobí, že sa tranzistor zapne a dokončí obvod. Po odpojení siete po určitom čase napätie batérie klesne, spolu s tým klesne aj napätie na inverznom vstupe komparátora a keď je pod úrovňou na priamom vstupe, komparátor „odtrhne“ hradlo tranzistora z uzemnenie a tým preruší obvod. Následne, keď zdroj opäť „ožije“, napätie na inverznom vstupe okamžite stúpne na normálnu úroveň a tranzistor sa opäť otvorí.
Pre praktickú realizáciu tohto obvodu som použil čip LM393, ktorý som mal. Ide o veľmi lacný (v maloobchode menej ako desať centov), ale zároveň ekonomický a má celkom dobré vlastnosti, duálny porovnávač. Umožňuje napájacie napätie do 36 voltov, má koeficient prenosu najmenej 50 V/mV a jeho vstupy majú dosť vysokú impedanciu. Prvý z komerčne dostupných vysokovýkonných P-kanálových MOSFETov, FDD6685, bol použitý ako spínací tranzistor. Po niekoľkých experimentoch bol odvodený nasledujúci praktický spínací obvod:
V ňom je abstraktný zdroj stabilného napätia nahradený veľmi skutočným parametrickým stabilizátorom pozostávajúcim z odporu R2 a zenerovej diódy D1 a delič je vyrobený na základe orezávacieho odporu R1, ktorý vám umožňuje nastaviť deliaci koeficient na požadovanú hodnotu. hodnotu. Keďže vstupy komparátora majú veľmi výraznú impedanciu, hodnota tlmiaceho odporu v stabilizátore môže byť aj viac ako sto kOhmov, čo umožňuje minimalizovať zvodový prúd, a teda aj celkovú spotrebu zariadenia. Hodnota trimovacieho rezistora nie je vôbec kritická a môže byť zvolená v rozsahu od desiatich do niekoľkých stoviek kOhmov bez akýchkoľvek následkov na výkon obvodu. Vzhľadom na to, že výstupný obvod komparátora LM393 je zostavený podľa obvodu s otvoreným kolektorom, je na jeho funkčné dotvorenie potrebný aj zaťažovací odpor R3 s odporom niekoľko stoviek kOhmov.
Nastavenie zariadenia spočíva v nastavení polohy jazdca rezistora trimra do polohy, kde napätie na nohe 2 mikroobvodu prevyšuje napätie na nohe 3 približne o 0,1 až 0,2 voltov. Pre nastavenie je lepšie nepoužívať multimeter vo vysokoimpedančných obvodoch, ale jednoducho nastavením jazdca odporu do spodnej polohy (podľa schémy), pripojiť napájanie (batériu zatiaľ nepripájame), a meraním napätia na kolíku 1 mikroobvodu posuňte kontakt odporu nahor. Akonáhle napätie prudko klesne na nulu, predbežné ladenie možno považovať za dokončené.
Nemali by ste sa snažiť vypnúť s minimálnym rozdielom napätia, pretože to nevyhnutne povedie k nesprávnej prevádzke obvodu. Naopak, v reálnych podmienkach musíte citlivosť zámerne znižovať. Faktom je, že keď je záťaž zapnutá, napätie na vstupe obvodu nevyhnutne klesá v dôsledku neideálnej stabilizácie v napájacom zdroji a konečného odporu spojovacích vodičov. To môže viesť k tomu, že príliš citlivé zariadenie bude takýto výpadok považovať za odpojenie napájania a preruší obvod. V dôsledku toho bude napájanie pripojené iba vtedy, keď nie je zaťaženie, a batéria bude musieť zvyšok času pracovať. Je pravda, že keď je batéria mierne vybitá, vnútorná dióda tranzistora s efektom poľa sa otvorí a do obvodu cez ňu začne prúdiť prúd z napájacieho zdroja. To však povedie k prehriatiu tranzistora a k tomu, že batéria bude pracovať v režime dlhodobého podbitia. Vo všeobecnosti musí byť konečná kalibrácia vykonaná pri skutočnej záťaži, pričom sa monitoruje napätie na kolíku 1 mikroobvodu a nakoniec sa ponecháva malá rezerva pre spoľahlivosť.
Významnými nevýhodami tejto schémy je relatívna zložitosť kalibrácie a potreba tolerovať potenciálne straty energie batérie, aby bola zabezpečená správna prevádzka.
Posledná nevýhoda ma prenasledovala a po nejakej úvahe ma priviedla k myšlienke merať nie napätie batérie, ale priamo smer prúdu v obvode.
Druhé riešenie (tranzistor s efektom poľa + merač smeru prúdu)
Na meranie smeru prúdu by sa dal použiť nejaký šikovný senzor. Napríklad Hallov senzor, ktorý registruje vektor magnetického poľa okolo vodiča a umožňuje určiť nielen smer, ale aj silu prúdu bez prerušenia obvodu. Avšak kvôli nedostatku takéhoto senzora (a skúsenostiam s takýmito zariadeniami) bolo rozhodnuté pokúsiť sa zmerať znamienko poklesu napätia na kanáli tranzistora s efektom poľa. Samozrejme, v otvorenom stave sa odpor kanála meria v stotinách ohmov (na to je celá myšlienka), ale napriek tomu je to celkom konečné a môžete sa na ňom pokúsiť hrať. Ďalším argumentom v prospech tohto riešenia je, že nie sú potrebné žiadne jemné úpravy. Budeme merať iba polaritu poklesu napätia, nie jeho absolútnu hodnotu.Podľa najpesimistickejších výpočtov s otvoreným kanálovým odporom tranzistora FDD6685 asi 14 mOhm a diferenciálnou citlivosťou komparátora LM393 zo stĺpca „min“ 50 V/mV budeme mať plný výkyv napätia 12 voltov. na výstupe komparátora s prúdom cez tranzistor tesne nad 17 mA. Ako vidíte, hodnota je celkom reálna. V praxi by mala byť približne o rádovo menšia, pretože typická citlivosť nášho komparátora je 200 V/mV, odpor kanála tranzistora v reálnych podmienkach, berúc do úvahy inštaláciu, pravdepodobne nebude menší ako 25 mOhm a kolísanie riadiaceho napätia na bráne nesmie presiahnuť tri volty.
Abstraktná implementácia by vyzerala asi takto:
Tu sú vstupy komparátora pripojené priamo na kladnú zbernicu na opačných stranách tranzistora s efektom poľa. Keď ním prúd prechádza v rôznych smeroch, napätia na vstupoch komparátora sa budú nevyhnutne líšiť a znamienko rozdielu bude zodpovedať smeru prúdu a veľkosť bude zodpovedať jeho sile.
Zapojenie sa na prvý pohľad ukazuje ako mimoriadne jednoduché, tu však vzniká problém s napájaním komparátora. Spočíva v tom, že nemôžeme napájať mikroobvod priamo z tých istých obvodov, ktoré má merať. Podľa údajového listu by maximálne napätie na vstupoch LM393 nemalo byť vyššie ako napájacie napätie mínus dva volty. Ak je táto hranica prekročená, komparátor si prestane všímať rozdiel v napätí na priamom a inverznom vstupe.
Existujú dve možné riešenia tohto problému. Prvým, zrejmým, je zvýšenie napájacieho napätia komparátora. Druhá vec, ktorá vás napadne, ak sa trochu zamyslíte, je rovnomerné zníženie riadiacich napätí pomocou dvoch deličov. Môže to vyzerať takto:
Táto schéma zaujme svojou jednoduchosťou a výstižnosťou, no, žiaľ, v reálnom svete nie je realizovateľná. Faktom je, že máme do činenia s rozdielom napätia medzi vstupmi komparátora len niekoľko milivoltov. Zároveň je rozptyl odporu rezistorov aj najvyššej triedy presnosti 0,1%. Pri minimálnom prijateľnom deliacom pomere 2 ku 8 a primeranej impedancii deliča 10 kOhm dosiahne chyba merania 3 mV, čo je niekoľkonásobne viac ako pokles napätia na tranzistore pri prúde 17 mA. Z rovnakého dôvodu odpadá aj použitie „ladičky“ v jednom z rozdeľovačov, pretože ani pri použití presného viacotáčkového odporu nie je možné zvoliť jeho odpor s presnosťou väčšou ako 0,01 % (plus nezabudnite o časovom a teplotnom posune). Navyše, ako už bolo napísané vyššie, teoreticky by tento obvod kvôli takmer „digitálnej“ podstate vôbec nemal potrebovať kalibráciu.
Na základe všetkého, čo bolo povedané, v praxi ostáva jediná možnosť – zvýšenie napájacieho napätia. V zásade to nie je taký problém, ak vezmeme do úvahy, že existuje veľké množstvo špecializovaných mikroobvodov, ktoré vám umožňujú zostaviť stepup konvertor na požadované napätie pomocou niekoľkých častí. Potom sa ale zložitosť zariadenia a jeho spotreba takmer zdvojnásobí, čomu by som sa rád vyhol.
Existuje niekoľko spôsobov, ako vytvoriť konvertor s nízkym výkonom. Napríklad väčšina integrovaných meničov využíva samoindukčné napätie malej tlmivky zapojenej do série s „výkonovým“ spínačom umiestneným priamo na čipe. Tento prístup je opodstatnený pre relatívne výkonnú konverziu, napríklad pre napájanie LED s prúdom desiatok miliampérov. V našom prípade je to jednoznačne nadbytočné, pretože nám stačí poskytnúť prúd asi jeden miliampér. Oveľa vhodnejší je pre nás obvod zdvojenia jednosmerného napätia pomocou ovládacieho spínača, dvoch kondenzátorov a dvoch diód. Princíp jeho fungovania je možné pochopiť z diagramu:
V prvom okamihu, keď je tranzistor vypnutý, sa nič zaujímavé nestane. Prúd z napájacej zbernice prechádza diódami D1 a D2 na výstup, v dôsledku čoho je napätie na kondenzátore C2 ešte o niečo nižšie ako napätie privádzané na vstup. Ak sa však tranzistor otvorí, kondenzátor C1 sa cez diódu D1 a tranzistor nabije takmer na napájacie napätie (mínus priamy pokles na D1 a tranzistore). Ak teraz tranzistor opäť zatvoríme, ukáže sa, že nabitý kondenzátor C1 je zapojený do série s odporom R1 a zdrojom energie. Výsledkom je, že jeho napätie sa pripočíta k napätiu zdroja energie a keď utrpí určité straty v rezistore R1 a dióde D2, nabije C2 na takmer dvojnásobok Uin. Potom je možné celý cyklus spustiť odznova. Výsledkom je, že ak tranzistor pravidelne spína a odber energie z C2 nie je príliš veľký, z 12 voltov dostanete asi 20 za cenu iba piatich častí (nepočítajúc kľúč), medzi ktorými nie je ani jedno vinutie. alebo rozmerový prvok.
Na implementáciu takéhoto zdvojovača potrebujeme okrem už uvedených prvkov aj generátor oscilácií a samotný kľúč. Môže sa to zdať ako veľa detailov, no v skutočnosti to tak nie je, pretože takmer všetko, čo potrebujeme, už máme. Dúfam, že ste nezabudli, že LM393 obsahuje dva porovnávače? A čo na tom, že sme zatiaľ použili len jeden z nich? Koniec koncov, komparátor je tiež zosilňovač, čo znamená, že ak ho zakryjete pozitívnou spätnou väzbou na striedavý prúd, zmení sa na generátor. Zároveň sa jeho výstupný tranzistor bude pravidelne otvárať a zatvárať, čím dokonale plní úlohu zdvojovacieho kľúča. Toto dostaneme, keď sa pokúsime realizovať náš plán:
Spočiatku sa môže zdať predstava napájania generátora napätím, ktoré skutočne produkuje počas prevádzky, dosť divoká. Ak sa však pozriete bližšie, môžete vidieť, že generátor spočiatku dostáva energiu cez diódy D1 a D2, čo stačí na spustenie. Po vygenerovaní začne pracovať zdvojovač a napájacie napätie sa plynule zvýši na približne 20 voltov. Tento proces netrvá dlhšie ako sekundu, po ktorej generátor a spolu s ním prvý komparátor dostanú energiu, ktorá výrazne prevyšuje prevádzkové napätie obvodu. To nám dáva príležitosť priamo zmerať rozdiel napätia na zdroji a odvode tranzistora s efektom poľa a dosiahnuť náš cieľ.
Tu je konečný diagram nášho prepínača:
K tomu už nie je čo vysvetľovať, všetko je popísané vyššie. Ako vidíte, zariadenie neobsahuje jediný nastavovací prvok a ak je správne zostavené, začne okamžite pracovať. Okrem už známych aktívnych prvkov pribudli len dve diódy, pre ktoré môžete použiť ľubovoľné nízkovýkonové diódy s maximálnym spätným napätím aspoň 25 voltov a maximálnym priepustným prúdom 10 mA (napríklad širokopásmový použitý 1N4148, ktorý je možné odspájkovať zo starej základnej dosky).
Tento obvod bol testovaný na breadboarde, kde sa ukázal ako plne funkčný. Získané parametre plne zodpovedajú očakávaniam: okamžité spínanie v oboch smeroch, žiadna neadekvátna odozva pri pripojení záťaže, odber prúdu z batérie je len 2,1 mA.
Súčasťou je aj jedna z možností rozloženia dosky plošných spojov. 300 dpi, pohľad zboku dielov (preto je potrebné tlačiť zrkadlovo). Tranzistor s efektom poľa je namontovaný na strane vodiča.
Zostavené zariadenie, úplne pripravené na inštaláciu:
Zapojil som to po starom, takže to dopadlo trochu nakrivo, no napriek tomu zariadenie už niekoľko dní pravidelne plní svoje funkcie v obvode s prúdom do 15 ampérov bez známok prehrievania.
Ochrana zariadení pred prepólovaním napájania
V procese návrhu obvodov, ktoré vyžadujú zvýšenú spoľahlivosť, často vyvstáva úloha implementovať ochranu zariadenia proti prepólovaniu napájania. Okrem toho je to v niektorých prípadoch možné, keď zlyhá zdroj energie.
Existuje niekoľko spôsobov, ako chrániť obvod. Najjednoduchším obvodom je sériové zapojenie Schottkyho diódy:
V tomto obvode je prípustné použiť aj klasickú diódu, treba však vziať do úvahy, že v tomto prípade sa na ňu uvoľní značný výkon, navyše na klasickej dióde môže pokles napätia pri priamom pripojení dosiahnuť 1,2 V alebo viac, čo je rozhodujúce pre nízkonapäťové obvody.
Aj keď však použijete Schottkyho diódu s nízkym úbytkom napätia, pri prechode veľkého výkonu cez diódu dôjde k citeľným stratám výkonu a bude sa citeľne zahrievať.
Niekedy sú paralelne so zariadením umiestnené diódy v reverznom zapojení, ktoré by sa pri zmiešaní napájacieho napätia mali spáliť a viesť ku skratu. V takom prípade zariadenie s najväčšou pravdepodobnosťou utrpí minimálne poškodenie, ale môže dôjsť k zlyhaniu napájacieho zdroja a bude potrebné vymeniť samotnú ochrannú diódu.
Existuje jednoduchá schéma, ktorá vám umožňuje zbaviť sa väčšiny vyššie opísaných nevýhod. Tranzistorový obvod s efektom poľa:
Keď je napájanie obrátené, v obvode nebude prúdiť žiadny prúd.
Pri práci v nízkonapäťových obvodoch nie je potrebná zenerova dióda D1. Táto obojsmerná zenerova dióda slúži na ochranu brány tranzistora pred poruchou, pretože tranzistory MOS sa vo všeobecnosti vyznačujú nízkym prierazným napätím. Stabilizačné napätie zenerovej diódy D1 sa volí na základe prierazného napätia hradla - nemalo by ho prekročiť, ale nemalo by byť nižšie ako medzné napätie daného modelu tranzistora.
R HAZ by mal obmedziť prúd cez zenerovu diódu a zabezpečiť hladké otvorenie tranzistora. Keďže mosfety sa otvárajú napätím, R HAZ môže byť dosť veľké, až stovky kiloohmov, ale treba si uvedomiť, že pri nízkych prúdoch sa stabilizačné napätie môže výrazne líšiť od nominálneho.
Ako D1 je prípustné použiť odrušovač, je však potrebné zohľadniť menovité prúdy zariadenia (v prípade použitia jednosmerných ochranných diód je katóda pripojená k obvodu zdroja - spätné zapojenie).
Zaujímavosťou je, že podobný mosfet obvod je použitý aj v iPhone4, je implementovaný na čipe CSD68803W15, v ktorom je ako ochrana brány použitá TVS dióda.
Bežné metódy ochrany proti prepólovaniu používajú diódy, aby sa zabránilo poškodeniu obvodu. V jednom prístupe sériová dióda umožňuje prúdenie prúdu iba so správnou polaritou (obrázok 1). Na korekciu vstupu môžete použiť aj diódový mostík, aby obvod vždy dostal správnu polaritu (obrázok 2). Nevýhodou týchto prístupov je, že plytvajú energiou na pokles napätia na diódach. Pri vstupnom prúde 1A obvod na obrázku 1 stratí 0,7 wattu energie a obvod na obrázku 2 stratí 1,4 wattu.
Prezentovaný obvod používa jednoduchú metódu, ktorá nemá žiadny pokles napätia alebo plytvanie energiou (obrázok 3).
Výber relé pre riadenie napätia s obrátenou polaritou. Môžete napríklad použiť 12V relé pre 12V napájací systém. Pri správnej polarite v obvode je D1 spätne predpätý a relé S1 zostáva vypnuté. Potom sú vstup a výstup prepojené reléovými kontaktmi a prúd tečie na koniec obvodu. Dióda D1 blokuje napájanie relé a ochranný obvod nerozptyľuje energiu.
Jednoduchý ochranný obvod proti prepólovaniu nemá žiadny pokles napätia. Ak je polarita nesprávna, dióda D1 v predpätí zopne relé (obr. 4). Zapnutím relé sa napája koniec obvodu a rozsvieti sa červená LED D3, čo indikuje prepólovanie. Obvod spotrebúva energiu iba vtedy, keď je polarita prepólovaná. Na rozdiel od tranzistorov s efektom poľa a polovodičových spínačov majú reléové kontakty nízky odpor, čo znamená, že nespôsobujú pokles napätia medzi vstupným zdrojom a obvodom vyžadujúcim ochranu. Konštrukcia je teda vhodná pre systémy s vážnymi obmedzeniami napätia.
Pri navrhovaní priemyselných zariadení, na ktoré sa kladú zvýšené požiadavky na spoľahlivosť, som sa neraz stretol s problémom ochrany zariadenia pred nesprávnou polaritou napájacieho pripojenia. Aj skúseným inštalatérom sa občas podarí pomýliť plus s mínusom. Pravdepodobne sú takéto problémy ešte akútnejšie počas experimentov začínajúcich elektronických inžinierov. V tomto článku sa pozrieme na najjednoduchšie riešenia problému - tradičné aj zriedka používané metódy ochrany.
Najjednoduchším riešením, ktoré sa hneď navrhuje, je zapojiť klasickú polovodičovú diódu do série so zariadením.
Jednoduché, lacné a veselé, zdalo by sa, že čo ešte treba ku šťastiu? Táto metóda má však veľmi vážnu nevýhodu - veľký pokles napätia na otvorenej dióde.
Tu je typická I-V charakteristika pre priame pripojenie diódy. Pri prúde 2 ampéry bude pokles napätia približne 0,85 voltu. V prípade nízkonapäťových obvodov 5 voltov a menej ide o veľmi výraznú stratu. Pre vyššie napätie hrá takýto pokles menšiu rolu, no je tu ešte jeden nepríjemný faktor. V obvodoch s vysokou spotrebou prúdu bude dióda rozptyľovať veľmi významný výkon. Takže pre prípad zobrazený na hornom obrázku dostaneme:
0,85V x 2A = 1,7W.
Výkon odvádzaný diódou je už na takýto prípad priveľa a citeľne sa zahreje!
Ak ste však pripravení rozlúčiť sa s trochu väčšími peniazmi, potom môžete použiť Schottkyho diódu, ktorá má nižšie poklesové napätie.
Tu je typická I-V charakteristika pre Schottkyho diódu. Vypočítajme stratový výkon pre tento prípad.
0,55V x 2A = 1,1W
Už o niečo lepšie. Čo však robiť, ak vaše zariadenie spotrebúva ešte vážnejší prúd?
Niekedy sú paralelne so zariadením umiestnené diódy v reverznom zapojení, ktoré by sa pri zmiešaní napájacieho napätia mali spáliť a viesť ku skratu. V tomto prípade vaše zariadenie s najväčšou pravdepodobnosťou utrpí minimálne škody, môže však dôjsť k výpadku napájania, nehovoriac o tom, že bude potrebné vymeniť samotnú ochrannú diódu a spolu s ňou sa môžu poškodiť aj dráhy na doske. Tento spôsob je skrátka pre nadšencov extrémnych športov.
Existuje však ďalší o niečo drahší, ale veľmi jednoduchý a bez nevýhod uvedených vyššie, spôsob ochrany - pomocou tranzistora s efektom poľa. Za posledných 10 rokov sa parametre týchto polovodičových zariadení dramaticky zlepšili, no cena naopak výrazne klesla. Možno skutočnosť, že sa veľmi zriedka používajú na ochranu kritických obvodov pred nesprávnou polaritou napájacieho zdroja, možno vysvetliť do značnej miery zotrvačnosťou myslenia. Zvážte nasledujúci diagram:
Pri pripojení napájania prechádza napätie do záťaže cez ochrannú diódu. Pokles na ňom je pomerne veľký – v našom prípade asi volt. V dôsledku toho sa však medzi hradlom a zdrojom tranzistora vytvorí napätie presahujúce medzné napätie a tranzistor sa otvorí. Odpor zdroj-odtok prudko klesá a prúd začne pretekať nie cez diódu, ale cez otvorený tranzistor.
Prejdime ku konkrétnostiam. Napríklad pre tranzistor FQP47З06 bude typický odpor kanála 0,026 Ohm! Je ľahké vypočítať, že výkon rozptýlený tranzistorom v našom prípade bude iba 25 miliwattov a pokles napätia je takmer nulový!
Pri zmene polarity napájacieho zdroja nebude v obvode prúdiť žiadny prúd. Medzi nedostatky obvodu možno možno poznamenať, že takéto tranzistory nemajú veľmi vysoké prierazné napätie medzi hradlom a zdrojom, ale miernym skomplikovaním obvodu sa dá použiť na ochranu obvodov s vyšším napätím.
Myslím si, že pre čitateľov nebude ťažké prísť na to, ako táto schéma funguje.
Pri navrhovaní priemyselných zariadení, na ktoré sa kladú zvýšené požiadavky na spoľahlivosť, som sa neraz stretol s problémom ochrany zariadenia pred nesprávnou polaritou napájacieho pripojenia. Aj skúseným inštalatérom sa občas podarí pomýliť plus s mínusom. Pravdepodobne sú takéto problémy ešte akútnejšie počas experimentov začínajúcich elektronických inžinierov. V tomto článku sa pozrieme na najjednoduchšie riešenia problému - tradičné aj zriedka používané metódy ochrany.
Najjednoduchším riešením, ktoré sa hneď navrhuje, je zapojiť klasickú polovodičovú diódu do série so zariadením. 
Jednoduché, lacné a veselé, zdalo by sa, že čo ešte treba ku šťastiu? Táto metóda má však veľmi vážnu nevýhodu - veľký pokles napätia na otvorenej dióde. 
Tu je typická I-V charakteristika pre priame pripojenie diódy. Pri prúde 2 ampéry bude pokles napätia približne 0,85 voltu. V prípade nízkonapäťových obvodov 5 voltov a menej ide o veľmi výraznú stratu. Pre vyššie napätie hrá takýto pokles menšiu rolu, no je tu ešte jeden nepríjemný faktor. V obvodoch s vysokou spotrebou prúdu bude dióda rozptyľovať veľmi významný výkon. Takže pre prípad zobrazený na hornom obrázku dostaneme:
0,85V x 2A = 1,7W.
Výkon odvádzaný diódou je už na takýto prípad priveľa a citeľne sa zahreje!
Ak ste však pripravení rozlúčiť sa s trochu väčšími peniazmi, potom môžete použiť Schottkyho diódu, ktorá má nižšie poklesové napätie. 
Tu je typická I-V charakteristika pre Schottkyho diódu. Vypočítajme stratový výkon pre tento prípad.
0,55V x 2A = 1,1W
Už o niečo lepšie. Čo však robiť, ak vaše zariadenie spotrebúva ešte vážnejší prúd?
Niekedy sú paralelne so zariadením umiestnené diódy v reverznom zapojení, ktoré by sa pri zmiešaní napájacieho napätia mali spáliť a viesť ku skratu. V tomto prípade vaše zariadenie s najväčšou pravdepodobnosťou utrpí minimálne škody, môže však dôjsť k výpadku napájania, nehovoriac o tom, že bude potrebné vymeniť samotnú ochrannú diódu a spolu s ňou sa môžu poškodiť aj dráhy na doske. Tento spôsob je skrátka pre nadšencov extrémnych športov.
Existuje však ďalší o niečo drahší, ale veľmi jednoduchý a bez nevýhod uvedených vyššie, spôsob ochrany - pomocou tranzistora s efektom poľa. Za posledných 10 rokov sa parametre týchto polovodičových zariadení dramaticky zlepšili, no cena naopak výrazne klesla. Možno skutočnosť, že sa veľmi zriedka používajú na ochranu kritických obvodov pred nesprávnou polaritou napájacieho zdroja, možno do značnej miery vysvetliť zotrvačnosťou myslenia. Zvážte nasledujúci diagram: 
Pri pripojení napájania prechádza napätie do záťaže cez ochrannú diódu. Pokles na ňom je pomerne veľký – v našom prípade asi volt. V dôsledku toho sa však medzi hradlom a zdrojom tranzistora vytvorí napätie presahujúce medzné napätie a tranzistor sa otvorí. Odpor zdroj-odtok prudko klesá a prúd začne pretekať nie cez diódu, ale cez otvorený tranzistor. 
Prejdime ku konkrétnostiam. Napríklad pre tranzistor FQP47З06 bude typický odpor kanála 0,026 Ohm! Je ľahké vypočítať, že výkon rozptýlený tranzistorom v našom prípade bude iba 25 miliwattov a pokles napätia je takmer nulový!
Pri zmene polarity napájacieho zdroja nebude v obvode prúdiť žiadny prúd. Medzi nedostatky obvodu možno možno poznamenať, že takéto tranzistory nemajú veľmi vysoké prierazné napätie medzi hradlom a zdrojom, ale miernym skomplikovaním obvodu sa dá použiť na ochranu obvodov s vyšším napätím. 
Myslím si, že pre čitateľov nebude ťažké prísť na to, ako táto schéma funguje.
Po zverejnení článku vážený používateľ Keroro v komentároch uviedol ochranný obvod na báze tranzistora s efektom poľa, ktorý sa používa v iPhone 4. Dúfam, že mu nebude vadiť, ak svoj príspevok doplním o jeho nález. 