Prosty układ do zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem zasilania

Odwrotne podłączenie zasilania do urządzenia jest często przyczyną katastrofalnej awarii systemu. Jeśli układ nie jest w żaden sposób zabezpieczony przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilającego, taka sytuacja doprowadzić może do uszkodzenia sekcji zasilania, jeśli na przykład znajduje się tam stabilizator napięcia, lub do uszkodzenia większej liczby układów, jeżeli są one zasilane bezpośrednio z napięcia podłączonego do urządzenia zewnętrznego zasilacza. Na szczęście istnieje wiele sposobów na zabezpieczenie obwodów wejściowych układu. W poniższym artykule przedstawimy kilka prostych obwodów zabezpieczających wejścia zasilania przed odwrotnym podłączeniem zasilania

Pojedyncza dioda prostownicza

Powszechnie stosowaną metodą ochrony wejścia zasilania przed odwrotnie podłączonym napięciem jest wykorzystanie diody prostowniczej, która zapobiega uszkodzeniu obwodu. Dioda zainstalowana jak pokazano na rysunku po lewej stronie, zabezpiecza układ przed przepływem prądu w momencie, gdy do systemu przyłożone jest napięcie o niepoprawnej polaryzacji. Dioda prostownicza umieszczona szeregowo z obciążeniem uniemożliwi przepływ prądu w nieprawidłowym kierunku.

Mostek prostowniczy - cztery diody

Zamiast pojedynczej diody prostowniczej można również użyć pełnego mostka diodowego - mostka Graetza - aby skorygować kierunek przepływu prądu. W ten sposób układ zawsze będzie otrzymywał napięcie o prawidłowej polaryzacji. Schemat takiego rozwiązania pokazano na rysunku po prawej stronie. W takim układzie, niezależnie od kierunku przyłożenia do urządzenia napięcia zasilającego, na liniach zasilania napięcie będzie miało poprawną polaryzację.

Wadą rozwiązań diodowych jest niska wydajność energetyczna. Spadek napięcia na każdej diodzie krzemowej wynosi około 0,7 V, co oznacza, że przy płynącym prądzie 1 A, pierwszy układ będzie miał 0,7 W strat, a drugi układ 1,4 W strat. Straty te są obecne zawsze i niezależne od przyłożonego do układu napięcia.

Układ z przekaźnikiem

Na rysunkach po lewej stronie zaprezentowano układ, który wykorzystuje przekaźnik do odłączania niepoprawnie - odwrotnie - podłączonego zasilania do systemu. Taki system nie powoduje istotnych strat mocy, jakie pociągało za sobą wykorzystanie systemu z diodami półprzewodnikowymi.

Diody D1 oraz D2 w układach po lewej stronie kontroluje przepływ prądu przez uzwojenie cewki przekaźnika. Jeśli zasilanie podłączone jest poprawnie, prąd płynie przez diodę i cewkę i powoduje zadziałanie elektromagnesu w przekaźniku. Dioda D1 ustawiona jest w kierunku zaporowym dla normalnego kierunku prądu, a do przesyłania zasilania do dalszej części układu wykorzystano normalnie zamknięty kontakt przekaźnika. W takiej sytuacji układ nie pobiera w ogóle prądu (rysunek po lewej stronie u góry).

Przy odwróconym napięciu wejściowym włącza się elektromagnes przekaźnika, przerywając zasilanie systemu i zapalając diodę LED.
Dioda D1 zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia, podając napięcie na uzwojenie elektromagnesu przekaźnika (rysunek po lewej stronie na dole), a czerwona dioda LED D3 poinformuje użytkownika o sytuacji.

Obwód zużywa energię tylko w przypadku podłączenia odwrotnej polaryzacji. W przeciwieństwie do wykorzystania tranzystorów FET lub przełączników półprzewodnikowych, przełączniki elektromagnetyczne mają bardzo niską rezystancję styków, co oznacza, że nie powodują spadku napięcia między źródłem zasilania a obwodem wymagającym ochrony. Dzięki temu konstrukcja nadaje się do systemów zarówno o wąskich marginesach napięcia, jak i do takich o niskim zapasie mocy.

Źródło: https://www.edn.com/design/analog/4368527/Simple-reverse-polarity-protection-circuit-has-no-voltage-drop

Zabrakło istotnej informacji o zabezpieczeniu z użyciem tranzystora MOSFET z kanałem typu P i N.

Warto wspomnieć, że w zabezpieczeniach często stosuje się diody Schottky’ego - mają mniejszy spadek napięcia. Gdzieś widziałem też zabezpieczenie oparte o bezpiecznik i diodę - w układ wpięty jest bezpiecznik, a za nim zwierająca w kierunku przeciwnym dioda. Przy połączeniu odwrotnym przez diodę płynie duży prąd i bezpiecznik się przepala. Zaletą układu jest zerowy spadek napięcia na układzie zabezpieczającym.

khoam napisał:

Zabrakło istotnej informacji o zabezpieczeniu z użyciem tranzystora MOSFET z kanałem typu P i N.

Dokładnie. Przykładowo ten układ z poniższego linka... Ponieważ MOSFET jest otwarty przy poprawnym zasilaniu, to wprowadza znikome straty wynikające z bardzo małego Rdson.

https://www.circuits.dk/reverse-current-battery-protection-circuits/

I jeszcze inne źródło
https://www.infineon.com/dgdl/Reverse-Batery-...2.pdf?fileId=db3a304412b407950112b41887722615

A czy układ z przekaźnikiem zdąży przełączyć styki zanim chroniony układ ulegnie uszkodzeniu?

Justyniunia napisał:

A czy układ z przekaźnikiem zdąży przełączyć styki zanim chroniony układ ulegnie uszkodzeniu?

Elektrolity wytrzymają, ale z resztą może być różnie...

Przekaźnik to dość powolne urządzenie, więc może być różnie. Jeśli mamy jakieś wrażliwe elementy, to nim przekaźnik "klapnie", to może już nie być czego zbierać... Niby nie potrzebujemy pełnego przełączenia styków, tylko oderwania kotwicy od styków NC, więc czas zadziałania zabezpieczenia jest trochę krótszy, ale wiele zależeć będzie od obwodu.
Bo łatwo wyobrazić sobie np. jakiegoś scalaka z wbudowanymi diodami ESD łączonymi do szyn zasilania. Jak dostaną nawet krótki ujemny impuls prądowy z wydajnego źródła zasilania, to ich pogrzeb jest bardzo prawdopodobny.
Stąd zabezpieczenie na przekaźniku chyba raczej do mało wrażliwych obwodów, albo takich, gdzie coś robi za firewalla i złagodzi skutki odwrotnej polaryzacji nim przekaźnik zadziała. Ja bym asekuracyjnie dodał jeszcze szybką diodę już za przekaźnikiem, wpiętą równolegle do zasilania, by przy normalnym zasilaniu była zaporowo. Powinna na siebie wziąć to co przejdzie przez przekaźnik zanim się przełączy, stąd na resztę pójdzie napięcie rzędu spadku na diodzie w kierunku przewodzenia...

A co z opóźnieniem zadziałania przekaźnika?

Nikt nie zauważył dość istotnego błędu:

ghost666 napisał:

Jeśli zasilanie podłączone jest poprawnie, prąd płynie przez diodę i cewkę i powoduje zadziałanie elektromagnesu w przekaźniku. [...] W takiej sytuacji układ nie pobiera w ogóle prądu (rysunek po lewej stronie u góry).

spec220 napisał:

Justyniunia napisał:
A czy układ z przekaźnikiem zdąży przełączyć styki zanim chroniony układ ulegnie uszkodzeniu?

Elektrolity wytrzymają, ale z resztą może być różnie...

Przecież ten "artykuł" to jakaś masakra. Ukłąd z przekaźnikiem jest wręcz szkodliwy, bo elektronika prawdopodobnie zdąży umrzeć. W niektórych przypadkach przekaźnik może nawet nie zadziałać nigdy, jeśli styki się skleją od impulsu prądowego. To już lepszy byłby układ z szeregowym bezpiecznikiem polimerowym i równoległą przewymiarowaną diodę Schottky. Tylko po co, skoro można to zrobić lepiej? Chyba tylko ma sens jeśli i tam mamy mieć bezpiecznik i diodę, bo występują w układzie duże indukcyjności.

Układ z P-MOSFET jest chyba najprostszy dla (p)odłączania strony wysokiej zasilania.

ghost666 napisał:

Układ z przekaźnikiem

Taki układ można z powodzeniem stosować w prostownikach do ładowania akumulatorów, jest skuteczny, i nie pozwala odwrotnie podłączyć akumulatora.
https://obrazki.elektroda.pl/3294512600_1569027435.png

Przeciez przekażnik moze podac napiecie zasilania dopiero po stwierdzeniu prawidlowosci zasilania.

Jak dla mnie , najprostszym i najlepszym rozwiązaniem jest pełny mostek. Często tak robię , jak składam i testuję jakieś układziki radiowe bądź audio , na "pająka" bądź mam wiele płytek koło siebie i dużo przewodów.

Zbigniew 400 napisał:

Przeciez przekażnik moze podac napiecie zasilania dopiero po stwierdzeniu prawidlowosci zasilania.

Ale wtedy przy poprawnej pracy zawsze zasilasz cewkę, czyli masz niepotrzebne straty.

Pełny mostek to straty na dwóch diodach.. Niby fajnie, bo źle podłączone urządzenie tez działa, ale w docelowym urządzeniu z zasilaniem DC wg mnie też bez sensu.

krisRaba napisał:

Ale wtedy przy poprawnej pracy zawsze zasilasz cewkę, czyli masz niepotrzebne straty.

Te straty przy ładowaniu akumulatora, można jakoś przeboleć. Nie są na tyle duże żeby podważyć zasadność jego zastosowania.

krisRaba napisał:

Dokładnie. Przykładowo ten układ z poniższego linka... Ponieważ MOSFET jest otwarty przy poprawnym zasilaniu, to wprowadza znikome straty wynikające z bardzo małego Rdson.

OldSkull napisał:

Układ z P-MOSFET jest chyba najprostszy dla (p)odłączania strony wysokiej zasilania.

damian1115 napisał:

Taki układ można z powodzeniem stosować w prostownikach do ładowania akumulatorów, jest skuteczny, i nie pozwala odwrotnie podłączyć akumulatora.

A skoro już mowa o drugim źródle (ładowanie akumulatora) po stronie wyjścia, to rozwiązanie P-MOS dostaje w łeb, bo tranzystor zostanie spolaryzowany po przez źródło na wyjściu.

Widziałem kiedyś takie zabezpieczenie z obustronną ochroną, w dodatku z tego co widać na filmie, to ten moduł także może służyć jako zasilacz i ładowarka.
https://www.youtube.com/watch?v=wzILZIVZRw8&t=1s

Dodano po 16 [minuty]:

Gizmoń napisał:

Nikt nie zauważył dość istotnego błędu:

Raczej niezdarnie napisane, ale wiadomo o co chodzi.
Jeśli zasilanie poprawnie podłączono względem zabezpieczenia, to dalszy układ na wyjściu nie pobiera prądu, czyli nie działa (tak to odebrałem osobiście)
No ale przyznam, że bez schematu można źle to odebrać, bo zazwyczaj w pierwszej kolejności patrzymy na schemat, a dopiero czytamy opis, co sprawia że w prostych rozwiązaniach, jesteśmy nastawieni na czytanie z tzw. "poprawnością merytoryczną", i nie zawsze dostrzegamy błędy.

spec220 napisał:

A skoro już mowa o drugim źródle (ładowanie akumulatora) po stronie wyjścia, to rozwiązanie P-MOS dostaje w łeb, bo tranzystor zostanie spolaryzowany po przez źródło na wyjściu.

Tak, i tutaj dochodzimy do klasycznego "zależy do czego". Bo inaczej sprawa wygląda, gdy chcemy zabezpieczyć nasz układ przed odwrotnym podpięciem zasilania (o czym chyba był ten artykuł), a inaczej, gdy źródeł jest więcej... Przykładowo jeśli na wejściu dasz układ z przekaźnikiem, a na wyjściu źle podepniesz aku, to będzie wystrzałowo. Jak zabezpieczenie będzie na wyjściu, to aku odetnie, ale źle podpięte zasilanie zabije ładowarkę... Choć ona będzie AC, więc scenariusz naciągany

Możnaby odwrócić styki przekaźnika, odwrotne podłączenie zasilanie zaświeci diodę LED, a prawidłowe spowoduje zasilenie cewki przekaźnika i dołączonego odbiornika. Dojdzie niestety pobór prądu cewki przekaźnika.

Oj ludzie ludzie, przecież w tym układzie o to chodzi, że poprawne podłączenie ma być bezstratne, a odwrotne podłączenie odłącza obwód i zapala się ostrzegawcza dioda LED... Jasne, że można to zrobić na styku NO i cewce załączanej, gdy układ podłączony jest poprawnie, tylko wtedy cewka praży się przez cały czas działania urządzenia. W niektórych przypadkach to jest problem, w innych nie - kolejny raz rzecz do indywidualnej oceny. Czasem problemem może być też udar prądowy (zależnie od rodzaju obciążenia), który otrzymują styki, czyli pojawia się ryzyko ich sklejenia. Tutaj oczywiście też można zmienić przekaźnik na stycznik Tylko generalnie chyba nie o to w tym wszystkim chodziło...

Jak już ktoś lubi straty i podgrzewanie atmosfery, to dioda w szereg z zasilaniem i nic więcej nie potrzeba.

Zamiast wspomnianej diody i bezpiecznika np. polimerowego co też jego czas zadziałania jest stosunkowo dłuższy zastosowałbym transil specjalnie produkowany do tych celów jego koszt jest niższy od bezpiecznika i wtedy dioda jest też niepotrzebna.

Tylko w przypadku bezpiecznika polimerowego i diody podłączonej równolegle do zasilania czas zadziałania bezpiecznika nas aż tak nie boli, bo przy odwrotnej polaryzacji (o czym jest temat), na nasze obciążenie pójdzie tyle co spadek napięcia na przewodzącej diodzie. Stąd przez diody ESD jakiegoś układu scalonego może nawet nie popłynie prąd, jeśli spadek na dwóch diodach ESD (od GND do jakiegoś pinu i od pinu do VCC) będzie większy od spadku na diodzie zabezpieczającej, czyli diody ESD nie zaczną jeszcze przewodzić...
Można zamiast szybkiej diody w takim zabezpieczeniu użyć transila i mieć 2 pieczenie na jednym komponencie, czyli zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją i zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem na zasilaniu, z tym że trzeba uważać na napięcie przewodzenia, bo dla transili może ono być wyższe niż dla schottky czy szybkich diod przełaczających, np. tutaj na Fig.8
https://www.tme.eu/Document/f3da7e7771e2b1c597300a7371284993/P6SMB_ser.pdf
widać, że dla 20A, co dla zwarcia nie jest ogromną wartością, może to już być 1.2V lub 2.4V zależnie od budowy. A chwilowe -2.4V przez czas potrzebny do zadziałania bezpiecznika polimerowego może już zaboleć...

krisRaba napisał:

Przykładowo jeśli na wejściu dasz układ z przekaźnikiem, a na wyjściu źle podepniesz aku, to będzie wystrzałowo. Jak zabezpieczenie będzie na wyjściu, to aku odetnie, ale źle podpięte zasilanie zabije ładowarkę... Choć ona będzie AC, więc scenariusz naciągany

No ok. na wejściu jest AC bo na filmie jest trafo.
Jednak skąd pewność, że sam stopień mocy pójdzie z dymem działający jedynie jako zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją? Skoro niegroźny mu akumulator, który jak kolega wie nie jednemu użytkownikowi "zabił" zasilacz stabilizowany, to prawdopodobnie przeżyje i odwrotne bieguny na wejściu.

Sama dioda jak wszyscy wiedzą nie ochroni nam wyjścia przed źle podłączonym akumulatorem.

Większość ładowarek nie da się wykorzystać jako zasilacz, zaś zasilacze zdychają przy odwrotnych biegunach akumulatora. Ten na filmie jest jakiś uniwersalny i głupotoodporny.

Dodano po 5 [minuty]:

krisRaba napisał:

Można zamiast szybkiej diody w takim zabezpieczeniu użyć transila i mieć 2 pieczenie na jednym komponencie, czyli zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją i zabezpieczenie przed zbyt wysokim napięciem na zasilaniu

Czasem takie oszczędności się nie opłacają. Jak już, to dioda transil i dioda szybka

spec220 napisał:

Czasem takie oszczędności się nie opłacają. Jak już, to dioda transil i dioda szybka

Tak, wiem. Odnosiłem się do wcześniejszej propozycji kol. @mieszaczwcz i bardziej chciałem podkreślić drugą część wypowiedzi, czyli wyższe Vf transila, na które trzeba uważać i wszystko dobrze przemyśleć ;-)

Dodano po 1 [godziny] 37 [minuty]:

spec220 napisał:

Widziałem kiedyś takie zabezpieczenie z obustronną ochroną, w dodatku z tego co widać na filmie, to ten moduł także może służyć jako zasilacz i ładowarka.
https://www.youtube.com/watch?v=wzILZIVZRw8&t=1s

spec220 napisał:

No ok. na wejściu jest AC bo na filmie jest trafo.
Jednak skąd pewność, że sam stopień mocy pójdzie z dymem działający jedynie jako zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją? Skoro niegroźny mu akumulator, który jak kolega wie nie jednemu użytkownikowi "zabił" zasilacz stabilizowany, to prawdopodobnie przeżyje i odwrotne bieguny na wejściu.

W sumie nie odnosiłem się do podanego przez Ciebie filmu Wymyśliłem jakiś przypadek ogólny, by pokazać, że zabezpieczenie trzeba przemyśleć, bo coś co zadziała w jednym przypadku niestety może nie zadziałać w innym
Natomiast zasilacz/ładowarka z filmu ciekawa. Widać, że jest to odporna na wiele typowych pomyłek i nadal żyje. Patrząc na reakcję na poszczególne zdarzenia, to raczej zabezpieczenie elektroniczne, a nie żadne przekaźniki. Z faktu, że jak odłączył wejście AC i podłączył prawidłowo akumulator ruszył wiatrak (czyli pewnie cała ładowarka) domyślam się, że to na jakimś PMOSie i zasilił się z wyjścia przez pasożytniczą diodę. Ciekawe czy reszta to jakoś na komparatorach poszyte, czy jest tam jakiś kontroler...
Trochę dziwnie działa w trybie ładowarki, bo prąd pulsuje analogicznie jak niebieska dioda, czyli z bardzo małą częstotliwością... chyba że w ładowarkach aku powinno tak być?

krisRaba napisał:

Trochę dziwnie działa w trybie ładowarki, bo prąd pulsuje analogicznie jak niebieska dioda, czyli z bardzo małą częstotliwością... chyba że w ładowarkach aku powinno tak być?

W opisie pod filmem pisze o LM358 i całce, pewnie jakieś opóźnienia nadążnej zastosował, aby lepiej wyciskało max pojemności z akumulatora.

krisRaba napisał:

Patrząc na reakcję na poszczególne zdarzenia, to raczej zabezpieczenie elektroniczne, a nie żadne przekaźniki

Skoro kamera zarejestrowała audio, to prawdopodobnie i przekaźnik byłoby słychać, a tam cisza. (czyli jakieś zabezpieczenie elektroniczne)

Tak szczerze powiedziawszy, to rzadko ludzie zabezpieczają w ten sposób soje "laborki"
Zrobisz zwarcie i nic się nie dzieje spoko (zadziałało ograniczenie prądowe)
Jednak teraz szybka sytuacja awaryjna. Padł aku w samochodzie, i nie masz ładowarki, bo po co, kiedy dorywczo można podładować z "laborki". Spiesząc się mylisz po drodze biegunowość (nie zastanawiasz się bo zasilacz posiada ograniczenie)
Co dalej, to chyba wiadomo.
Jak masz diodę za stopniem mocy, to jest szansa że poleci tylko bezpiecznik o ile jest na wyjściu, a jeżeli nie ma, to najpierw wystrzeli dioda, za nią stopień mocy, i przy dobrych wiatrach jeszcze coś po drodze. (uwierz mi kolego, że samochodowy aku potrafi zrobić swoje, nawet jeżeli jest mocno rozładowany)

spec220 napisał:

uwierz kolego, że samochodowy aku też potrafi zrobić swoje, nawet jeżeli jest mocno rozładowany

Hahaha, wierzę, bo kiedyś zespawałem sobie krokodylki jak pomagałem gościowi na światłach odpalić auto na kablach Auto odpaliło, wdzięczny właściciel coś nawijał i zamiast myśleć o kolejności odpinania kabli, to myślałem co on gada i jakoś zostałem z podłączonym kablami z jednej strony i krokodylkami w rękach.. Ten dalej coś nawijał i chyba chcąc coś gestykulować przy odpowiedzi zetknąłem je ze sobą Nie polecam Dobrze, że same krokodylki były z chińskiej czekolady, kupowane przez neta, bo przewody 16mm2 Po zespawaniu udało się je energicznym ruchem rozerwać i w jednym zrobiła się pokaźna dziura
Stąd, dzięki panu nawijaczowi, sprawdziłem w praktyce to, co już wiedziałem z teorii

krisRaba napisał:

Stąd, dzięki panu nawijaczowi, sprawdziłem w praktyce to, co już wiedziałem z teorii

No tak heh. Na kablach raczej nikt nie stosuje zabezpieczenia, chociaż są fajne bezpieczniki na kabel tj. do samochodowych końcówek mocy. Jest to dobre rozwiązanie zwłaszcza w przypadku wystąpienia średniej różnicy napięć pomiędzy aku.
Są różne przypadki. Kiedyś jeden gościu majstrował pod maską i położył na klemy klucz płaski (?) Klucz się tak rozgrzał, że aż wygiął. XD

Ciekawe co by się stało, jakby w laborce za 2 tysiaki student zapiął odwrotnie aku (?)
Ciekawe, czy jest tam takie zabezpieczenie jak na filmie (?) Pewnie na bank jest, bo student musiałby zabulić z własnej kieszeni, albo wcisnąć bajkę prowadzącemu, że wziął z pułki uszkodzony.

https://www.edn.com/design/analog/4462406/Pol...ting-circuit-protects-battery-powered-devices

@__Grzegorz__"
1) Jak mam to zabezpieczenie podpiąć do wyjścia zasilacza laboratoryjnego?
2) Co z zabezpieczeniem bramek tranzystorów ? (rozumiem, że układ trzeba rozbudować)
3) Jak zadziała układ kiedy zamiast baterii podłączę np. żarówkę i ustawię wartość 1V (jakie układ wprowadzi spadki napięć) ?

Naprawdę, muszę to wszystko tłumaczyć?
2). masz w artykule.
3). Aby układ zadziałał, Uwe ma przekroczyć Vgsth, co przy 1V może być problemem, więc... Wnioski wyciągnij sam....

__Grzegorz__ napisał:

Naprawdę, muszę to wszystko tłumaczyć?

Tylko wytłumacz jak się zabezpiecza wyjście zasilacza przed nieprawidłową polaryzacją podłączonego aku. (?)

__Grzegorz__ napisał:

3). Aby układ zadziałał, Uwe ma przekroczyć Vgsth, co przy 1V może być problemem, więc... Wnioski wyciągnij sam....

Wnioski są takie, że tym układem nie da się jednoznacznie zabezpieczyć wyjścia zasilacza przed "zabójczym" akumulatorem, ponieważ ten układ będzie wprowadzać zakłócenia dla niskich napięć na wyjściu zasilacza, co uniemożliwia zastosowanie tego rozwiązania w takiej aplikacji.
Tam na filmie rozwiązano ten problem, którego w zasadzie nikt teraz nie stosuje (może kiedyś na lampach stosowano). Ciekawe jak wygląda zabezpieczenie wyjścia zasilacza np. za 2000 zł ? Na bank jest, bo takie ceny z kosmosu się nie biorą.