для чего параллельно катушке реле включен диод
Для чего паралельно реле подключают обратный диод?
Наверняка вы замечали, что в схемах, где установлено реле, паралельно катушке также установлен диод? Чаще всего, обратный диод ставят именно в тех схемах, в которых реле управляет транзистор. Я решил разобраться, зачем там нужен диод и что будет, если его убрать.
На фото ниже вы как раз можете наблюдать пример такой схемы, где диоды установлены паралельно реле.
Источник: Собственное фото
Как работает обратный диод, установленный паралельно реле?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, из чего состоит реле и как оно работает? Я взял реле в прозрачном корпусе, чтобы можно было наглядно увидеть содержимое. Поверьте, остальные реле имеют похожую конструкцию.
Источник: Собственное фото
В правой части реле (на фото) мы можем наблюдать катушку, а в левой три контакта, один из которых явно подвижный. При подаче тока на катушку, в ней возникает магнитное поле, которое перемещает подвижный контакт в противоположном от положения покоя направлении.
Источник: Создано самостоятельно в sPlan и Gimp
Таким образом, при подаче тока на катушку, ток протекает именно через неё, создавая ЭДС индукции, а через диод, установленный паралельно, ток не течет, так как диод подключен в обратном направлении. Вспомним, что данная схема чаще всего используется там, где реле управляет транзистор. Что произойдет когда транзистор закроется? Ток будет рассеиваться через диод, а подвижный контакт внутри реле перейдет в положение покоя.
Что произойдет, если исключить из схемы диод и оставить только реле и транзистор?
В реле, в момент закрытия транзистора возникают кратковременные импульсы, напряжением в несколько сотен вольт. Диод прекрасно справлялся с ними, но если его убрать, то такие импульсы неизбежно пройдут через управляющий реле транзистор. Да, конечно, транзистор зачастую выбирают с большим запасом по напряжению, но рано или поздно импульсы, возникающие в реле, сожгут его.
Есть чем дополнить? Пишите в комментарии, с удовольствием почитаю ваше мнение.
Администратор. Увлекаюсь программированием и радиоэлектроникой. Учусь в радиотехническом техникуме на заочном отделении.
Реле R4 и R6 нужно ли ставить диод?
При установке реле R4 и R6 необходимо ли подключать диод в цепи разрыва (черно-желтый, оранжевый и коричневый провода), или диод уже встроен в реле и подключать его нет необходимости?
Ответы 6
зачем диод? что блокируете?
Если спрашиваете, зачем диод ставится на реле, тогда и ответить не сможете. Диод на реле используется для защиты транзисторов и микросхем от короткого высокого обратного напряжения, появляющегося при снятии напряжения с катушки реле (так называемой обратки).
Разве важно что блокирую?
Диод на реле используется для защиты транзисторов и микросхем от короткого высокого обратного напряжения, появляющегося при снятии напряжения с катушки реле (так называемой обратки).
1) Не обратки, а ЭДС САМОиндукции.
2) Такой диод ставится ПАРАЛЛЕЛЬНО катушке ОБЫЧНОГО реле
при транзисторном управлении КАНАЛОМ сигнализации. Про такие диоды и их назначение подробно ЗДЕСЬ
Если спрашиваете, зачем диод ставится на реле, тогда и ответить не сможете.
Я смог ответить на Ваш вопрос?
Тогда повторю вопрос коллеги:
Вы и ваш «коллега» прекрасно поняли мой вопрос с первого раза, но у нас же не принято отвечать на прямой вопрос напрямую, нужно сначала поглумиться, чтобы показать свое превосходство и сообразительность. Я сам модерирую форум, и знаю таких «персонажей».
Можно было просто ответить: реле R4 и R6 являются фактически ЭЛЕКТРОННЫМИ устройствами без катушки (это как раз и есть ответ на вопрос), и диод ставить не нужно. Если бы я знал, что внутри нет катушки, то и задавать вопрос бы не стал. А разбирать рабочее реле чтобы в этом убедиться как-то не практично, я думаю что такие характеристики могли бы быть упомянуты в документации.
В любом случае вам спасибо.
Спасибо. Поглумлюсь еще, как принято на форумах:
Вы верно указали что диод используется для гашения самоиндукции. Ставится он параллельно именно обмотке. На Р4 и и на Р6 выведены коммутируемые контакты, а не обмотка реле. Все что нужно для управления обмотками уже есть внутри и точно не нужно его разбирать.
Но мы же телепаты и точно знаем что Вы об этом диоде, а не о диодах при одновременной блокировке датчиков Холла и или других сигнальных проводов. Мы же сразу точно знаем что Вы имеете ввиду эти диоды, а не диоды для реализации самой блокировки.
Лучше же поглумиться и минусов натыкать, чем просто ответить на вопрос, верно? :))))
Вы и ваш «коллега» прекрасно поняли мой вопрос с первого раза,
Объявления
Если вы интересуетесь релейной защитой и реле, то подписывайтесь на мой канал
Диод параллельно катушке реле
Чтобы отправить ответ, вы должны войти или зарегистрироваться
Сообщений 19
1 Тема от maxaon 2017-02-22 17:52:26
Тема: Диод параллельно катушке реле
Доброго времени суток! Нужна Ваша помощь и мнения.
Имеем в реле контроля напряжения выходное реле, управляемое транзисторным ключом. В один прекрасный момент произошел пробой диода, шунтирующего катушку реле от ЭДС самоиндукции, и схема естественно вышла из строя.
В результате расследования было выяснено следующее: измеренное осциллографом напряжение на диоде при отключении реле около 480В, в то время как шунтирующий диод 1N4003 (1А, 200В, 3Вт). Налицо неправильный подбор диода, хотя реле контроля напряжения отработало порядка 9 лет непрерывно под напряжением. Имеем еще 30 штук таких реле, нужно предпринимать меры по недопущению подобного инцидента.
Вопрос к Вам, господа: вижу 2 пути.
1) замена диода на 1N4007 (1А, 1000В, 3Вт);
2) замена диода на 1N4007 + установка последовательно с диодом резистора номиналом, равным омическому сопротивлению катушки (в моем случае 21кОм, 0,5Вт) с целью увеличить ресурс диода и в случае пробоя диода в режим КЗ сохранение работоспособности реле (резистор станет гасящим ЭДС самоиндукции).
1й вариант очевиден и прост, но как Вы смотрите на 2й вариант? Стоит это того, или пустая трата резисторов?
2 Ответ от SVG 2017-02-22 21:15:54
Re: Диод параллельно катушке реле
измеренное осциллографом напряжение на диоде при отключении реле около 480В
ЭДС самоиндукции на диоде должна быть 0,7-0,8В. Иначе диод в обрыве. Или смотрели на катушке без диода.
но как Вы смотрите на 2й вариант? Стоит это того, или пустая трата резисторов?
Не только резисторов, но и диодов, и транзисторов, в цепи которых стоят эти реле
3 Ответ от maxaon 2017-02-22 22:06:47
Re: Диод параллельно катушке реле
ЭДС самоиндукции на диоде должна быть 0,7-0,8В. Иначе диод в обрыве. Или смотрели на катушке без диода.
Да, конечно, цепь диода разрывали
Не только резисторов, но и диодов, и транзисторов, в цепи которых стоят эти реле
Можете прояснить Ваше утверждение?
4 Ответ от arco 2017-02-22 22:19:47
Re: Диод параллельно катушке реле
5 Ответ от shf_05 2017-02-22 22:34:07 (2017-02-22 22:34:57 отредактировано shf_05)
Re: Диод параллельно катушке реле
Когда разрываете ток реле происходит откпывание диода и напряжение на нем будет не более 1В. Когда на реле дали ток напряжение на диоде будет как раз напряжение на реле. Если реле на 24В то еа диоде тоже 24В.
Добавлено: 2017-02-23 00:34:07
Последовательный резистор увеличит выброс от ЭДС самоиндукции но ускорит отключение реле. Мой вам совет обратитесь к производителю реле за консультацией и сами не лазьте в него. Если все же хочется защититься ставьте диод на реле и второй на сам ключ.
Как вариант варистор или TVS диод на ключ поставьте.
6 Ответ от maxaon 2017-02-22 23:06:22 (2017-02-22 23:13:29 отредактировано maxaon)
Re: Диод параллельно катушке реле
рабочее напряжение реле 24В
Дополнительный резистор увеличит время возврата реле, если это не критично, достаточно будет резистора величиной 0,91-1 кОм, мощность зависит от напряжения реле
микро-, милисекунды в разнице по времени не принципиальны..почему резистор увеличит напряжение ЭДС самоиндукции?
Когда разрываете ток реле происходит откпывание диода и напряжение на нем будет не более 1В. Когда на реле дали ток напряжение на диоде будет как раз напряжение на реле. Если реле на 24В то еа диоде тоже 24В.
это так, более интересен переходный процесс при отключении реле, кратковременный бросок напряжения
Мой вам совет обратитесь к производителю реле за консультацией и сами не лазьте в него.
производитель огласил, что с 2006 года стали применять диоды 1N4007 вместо 1N4003, рекомендация в замене диода
7 Ответ от shf_05 2017-02-23 09:09:21 (2017-02-23 09:58:49 отредактировано shf_05)
Re: Диод параллельно катушке реле
Переходный процесс очень быстрый. Максимум может дать короткий всплеск напряжения на ключе. Ключ обязан его выдерживать. Иначе можно говорить о плохом качестве ключа.
Диоды прямо рекомендует менять на имеющихся реле.
ЭДС подскочит т.к. по закону ома для того же тока через резистор плюс обмотка нужна двойная эдс по сравнению с диодом на котором напряжение около 0,7В.
8 Ответ от SVG 2017-02-23 10:01:21
Re: Диод параллельно катушке реле
Можете прояснить Ваше утверждение?
Последовательный резистор увеличит выброс от ЭДС самоиндукции но ускорит отключение реле.
Раз выброс увеличится, то резисторы Вы потратите без пользы, а транзисторным ключам станет тяжелее и они начнут пробиваться.
производитель огласил, что с 2006 года стали применять диоды 1N4007 вместо 1N4003, рекомендация в замене диода
Только дело не в напряжении этого диода, а что за счёт большего габарита кристалла он легче рассеивает импульсную мощность.
9 Ответ от shf_05 2017-02-23 14:33:08
Re: Диод параллельно катушке реле
Только дело не в напряжении этого диода, а что за счёт большего габарита кристалла он легче рассеивает импульсную мощность.
10 Ответ от SVG 2017-02-23 20:43:41
Re: Диод параллельно катушке реле
Подозреваю что просто диодов таких в продаже нет
Да хватает этого добра.
Там и не надо никакой импульсной энергии рассеивать.
Это всего лишь предположение было, похоже, неправильное. N40 все в одном габарите делают.
11 Ответ от maxaon 2017-02-26 18:03:45
Re: Диод параллельно катушке реле
Пока напряжение велико из за инерции диода тока нет мощность опять же мала.
Видимо замена диода на 1N4007 решит проблему
12 Ответ от Андрей 2017-02-27 08:09:00
Re: Диод параллельно катушке реле
Видимо замена диода на 1N4007 решит проблему
13 Ответ от shf_05 2017-02-27 09:46:19 (2017-02-27 09:47:55 отредактировано shf_05)
Re: Диод параллельно катушке реле
Добавлено: 2017-02-27 11:46:19
о поставьте по два диода последовательно
14 Ответ от RemezV 2017-02-27 17:55:54
Re: Диод параллельно катушке реле
А еще лучше поставить рядом еще один такой же шкаф.
Пока напряжение велико из за инерции диода тока нет мощность опять же мала.
Поясните нам, что такое инерция диода, а то в характеристиках 1N4007 такого параметра что-то не видно.
Диод 1N4007 характеристики:
15 Ответ от SVG 2017-02-27 19:17:05
Re: Диод параллельно катушке реле
максимальная рабочая частота — 1 мГц;
16 Ответ от RemezV 2017-02-27 23:58:03
Re: Диод параллельно катушке реле
Вот он ключ к разгадке ))
17 Ответ от ПАУтина 2017-02-28 01:22:00
Re: Диод параллельно катушке реле
Да, что-то совсем непонятно, кто, что пишет.
максимальный импульсный ток при длительности импульса 3.8 мс — 30 А
18 Ответ от shf_05 2017-02-28 10:04:12
Re: Диод параллельно катушке реле
Добавлено: 2017-02-28 12:04:12
аксимальный импульсный ток при длительности импульса 3.8 мс — 30 А
это значит, что такой ток в пике, (например заряд конденсатора) не порвет диод и не вызовет локальных перегревов и необратимых повреждений его кристалла.
19 Ответ от ПАУтина 2017-02-28 12:19:38
Re: Диод параллельно катушке реле
это значит, что такой ток в пике, (например заряд конденсатора) не порвет диод и не вызовет локальных перегревов и необратимых повреждений его кристалла.
Количество теплоты всегда вычисляется как интегральное значение, пик да 30 А, а конечная величина 0. А тут, наверно имеется ввиду именно прямоугольный импульс 3,8 мс.
Какова индуктивность катушки реле и активное сопротивление, собственно нужно знать LR, что бы вычислить тау, может она вообще 0,1. 0,5 мс или того меньше. Если транзисторый ключ, то и конечное напряжение на катушке реле будет практически 0, то есть само напряжение прикладываемое к катушке уменьшается до нуля.
Меры по защите контактов реле от повреждения дуговыми разрядами
В процессе эксплуатации сигнализаторов уровня имеющих дискретный (релейный, транзисторный) выход, зачастую подключают индуктивную нагрузку (устройства, имеющие в своём составе катушку индуктивности). Возникновение дуговых разрядов при размыкании таких электрических цепей крайне негативно сказывается на работоспособности контактов реле и выходных каскадов датчиков, уменьшая их срок эксплуатации.
В целях устранения пагубного влияния дуговых разрядов применяются искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.
Не вдаваясь в физику переходных процессов и причин возникновения дуговых разрядов 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 исключительно эффективно устраняют дуговые разряды и предохраняют контакты реле от обгорания лучше, чем любые другие схемы искрогашения. Такой способ применим и к сигнализаторам с транзисторным выходом.
Правила выбора обратного диода:
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:
Для защиты выходных транзисторных каскадов сигнализаторов RC-цепь подключают параллельно нагрузке.
Источник: Компания «РусАвтоматизация»
Прекращаем ставить диод
Нет, это не очередной «вечняк»
После прочтения статьи о защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.
Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.
Зачем все это?
При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.
История вопроса
Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:
Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:
Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.
Простейший путь (диод)
Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:
Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).
Наивное решение (реле постоянного тока)
При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:
В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.
Окольный путь (реле переменного тока)
После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:
Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой беcтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).
Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?
Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)
Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.
Примерная схема такого устройства:
Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.
Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:
В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.
Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.
Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.
В результате практического испытания были получены такие результаты. Сопротивление в открытом состоянии соответствует проходному сопротивлению из даташита на транзистор. В закрытом состоянии паразитный ток во вторичной цепи БП измерить не удалось ввиду его незначительности. Потребляемый ток в режиме работы от аккумулятора составил 1.1 мА, причем он практически на 100% состоит из тока, потребляемого микросхемой. После калибровки под максимальную нагрузку, время срабатывания без нагрузки вышло почти 15 минут. Столько времени понадобилось моему аккумулятору, чтобы разрядиться до того напряжения, которое поступает от БП на устройство под полной нагрузкой. Правда, отключение при полной нагрузке происходит почти сразу (менее 10 секунд), но это время зависит от емкости, заряда, и общего «здоровья» аккумулятора.
Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.
Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.
Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)
Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.
По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.
Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:
Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.
На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.
Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:
Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.
Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.
Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:
В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.
Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:
Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.
Вот окончательная схема нашего коммутатора:
Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).
Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.
Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.
Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:
Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.