- В данной статье предлагаю вам разобрать схему защиты от перенапряжения низковольтной электронной нагрузки, питаемой от постоянного тока. То есть, например мы имеем какое-то электронное устройство, схему, плату, модуль, который питается от постоянного напряжения величиной допустим 5 вольт, или 9, или 12, или 24 и т.д. При этом это устройство не допускает возможности превышения величины своего питающего напряжения хотя бы несколько процентов. Допустим мы возьмем обычный смартфон, для заряда которого нужно напряжение источника питания 5 вольт.
Причем стоит учесть, что допустимым диапазоном напряжений для зарядки телефонов, смартфонов, планшетов считается величина 5 – 5,3 вольта. Напряжение свыше 5,3 вольта уже не рекомендуется использовать, так как есть вероятность отрицательного воздействия на контроллер заряда вашего устройства. При использовании дешевых зарядных устройств, или самодельных блоков питания, где схемы защиты от перенапряжения отсутствуют, или собраны не качественным образом, возникает вероятность, что после случайно возникшего увеличения напряжения ваше мобильное устройство выйдет из строя. Даже небольшого, кратковременного скачка напряжения на выходе некачественного источника питания вполне может хватить, чтобы вы свой смартфон понесли в ремонт.
Проблема перенапряжения на выходе источника питания может возникнуть для любых устройств, а не только у смартфонов. Перенапряжение на выходе блока питания может возникнуть как по причине внешних воздействий (молния, коммутационные переключения в сети и т.д.), так и по причине появления определенных поломок в самом источнике питания. Следовательно любая из причин появления даже кратковременного перенапряжения на блоке питания может вывести из строя ваши электронные схемы, устройства, модули и т.д.
Чтобы обезопасить свои электронные устройства можно собрать достаточно простую и полностью работоспособную схему защиты от перенапряжения, рисунок которой представлен в начале этой статьи. В имеющемся варианте данная схема защиты рассчитана на работу с постоянным напряжением 5 вольт, от которых будет безопасно заряжаться смартфон, телефон, планшет и т.д. То есть, как я ранее написал, максимально допустимым напряжением зарядки для смартфонов является величина 5,3 вольта. Следовательно нашу защиту от перенапряжения нужно настроить на чуть большее напряжение, а именно на 5,4 вольта. И чтобы не произошло с вашей зарядкой или блоком питания, на выходе схемы защиты напряжение никогда не превысит величину 5,4 вольта. При достижении порога в 5,4 вольта на выходе источника питания защита просто отключит это напряжение на своем выходе. Следовательно ваши устройства будут полностью защищены от случайных перенапряжений.
Теперь давайте разберем саму схему данной защиты от перенапряжения. По сути это пороговое устройство с транзисторным ключом, который просто размыкает цепь между источником питания и нагрузкой в случае превышения порогового напряжения. На входе схемы стоит обычный параметрический стабилизатор напряжения, собранный на управляемом стабилитроне типа TL431.
Данный стабилитрон является высокоточной микросхемой. Напряжение (стабилизации), которое будет между анодом и катодом этого стабилитрона зависит от имеющегося потенциала на его выводе управления. Этот потенциал задается делителем напряжения в виде подстроечного резистора R1, которым мы и устанавливаем нужный нам порог срабатывания схемы при нужном уровне максимально допустимого выходного напряжения источника питания.
Сразу хочу сказать, что те номиналы резисторов, которые представлены в имеющейся схеме защиты от перенапряжения, рассчитаны на работу схемы с напряжением 5 вольт. При этом эти сопротивления обеспечивают минимальный ток, потребляемый самой схемой защиты. То есть, при работе с напряжением 5 вольт эти сопротивления обеспечивают высокий КПД схемы, где общим ток потребления защиты не превышает 1-2 мА. Если вы данную схему защиты планируете использовать для большего напряжения, допустим 12 вольт, то и номиналы всех резисторов желательно увеличить в 2 раза. При напряжении 12 вольт и имеющихся номиналах сопротивлений схема будет также нормально работать и выполнять свою функцию защиты от перенапряжения, но ток потребления уже вырастет до 8-10 мА. А это уже не так экономно, как хотелось бы.
Итак, вращая подстроечный резистор R1 мы задаем величину стабилизационного напряжения, которое будет образовываться на управляемом стабилитроне TL431. Если мы на стабилитроне выставили ровно 5 вольт, то до этого напряжения стабилитрон закрыт и через него ток не проходит. При этом любое напряжение до 5 вольт будет оседать только на стабилитроне. На резисторе R2 в это время никакого напряжения не будет. И лишь когда напряжение на стабилитроне поднимется выше 5 вольт, только в этом случае все, что выше 5 вольт будет оседать на R2. При этом данный резистор R2 еще и ограничивает силу тока, проходящего через стабилитрон.
Параллельно резистору R2 подключен база-эмиттерный переход биполярного транзистора VT1 (через токоограничительный резистор R3). Чтобы транзистор VT1 открылся, нужно чтобы на нем между его базой и эмиттером образовалось напряжение не менее 0,6 вольт. И поскольку мы имеем дело с транзистором N-P-N проводимости, то на базу должен подаваться положительный потенциал, а на эмиттер отрицательный.
Как только на резисторе R2 образовалось напряжение чуть более 0,6 вольт (с учетом, что небольшая часть напряжения еще осядет на резисторе R3), а следовательно и на переходе база-эмиттер транзистора VT1, этот транзистор открывается и между его выводами коллектор-эмиттер резко увеличивается проводимость. То есть, это равносильно, что коллектор и эмиттер вместе соединятся.
Изначально, при нормальном напряжении на источнике питания, полевой транзистор VT2 открыт. Этому способствует изначально подаваемое на него напряжение управления. Плюсовой потенциал идет через резистор R4 и поступает на затвор полевика, а минус сразу идет на исток от источника питания. Напомню, что для того, чтобы полевой МОП транзистор с изолированным затвором открылся (изначально от закрыт), и через его канал сток-исток начал проходить ток, между выводами затвора и истока должно присутствовать постоянное напряжение величиной не менее 4 вольта (в отличии от биполярного, у которого напряжение открытия 0,6 вольт).
Как мы видим из схемы, коллектор и эмиттер биполярного транзистора VT1 параллельно подключены к затвору и истоку полевого транзистора VT2. Следовательно, если транзистор VT1 откроется, то это будет способствовать закрытию полевого транзистора VT2 (поскольку биполярник просто закоротит управляющие выводы полевика). Резистор R4 нужен для ограничения тока, который будет протекать через него после открытия VT1. В противном случае, без R4, VT1 сделал бы короткое замыкание источника питания при своем открытии. Ну, и в целом, цепь R4 и коллекторно-эмиттерный переход VT1 представляют собой делитель напряжения.
В целом схема данной защиты от перенапряжения работает следующим образом. У нас имеется выставленное пороговое напряжение 5,4 вольта. Мы подаем на схему питание 5 вольт. К выходу схемы защиты подключаем наше электронное устройство (пусть это будет смартфон). Изначально полевой транзистор VT2 открыт, следовательно на наше устройство также подается напряжение и оно работает. Но как только на входе схемы защиты напряжение поднялось выше 5,4 вольта, транзистор VT1 открывается и этим открытием закрывает полевой транзистор VT2. Цепь разрывается и образовавшееся повышенное напряжение не поступает в наше устройство. Ваш девайс в безопасности. Если же напряжение на входе защиты снова опустится ниже порогового значения 5,4 вольта, защита разблокируется и безопасное напряжение снова начнет поступать в ваше устройство (смартфон).
В данной схеме на месте основного ключа используется полевой транзистор типа IRFZ44.
Этот полевик имеет достаточно хорошие характеристики. А именно, у него очень маленькое сопротивление канала исток-сток в открытом состоянии. Это обеспечивает высокий КПД схемы защиты, плюс к этому при небольшой нагрузке полное отсутствие нагрева этого транзистора. Да и максимальный ток этот транзистор может выдерживать весьма большой (около 50 А). Стоит он также достаточно дешево. Хотя в эту схему подойдет любой другой полевой МОП транзистор с изолированным каналом (N-канальный), лишь бы он выдерживал тот ток, который будет через него проходить.
Эту схему можно использовать и при любом другом постоянном напряжении, хотя для обеспечения экономичности нужно будет сопротивление имеющихся резисторов увеличить (примерно пропорционально) соответственно своему рабочему напряжению. То есть, если вы хотите эту схему защиты использовать для напряжения 12 вольт, то и резисторы вместо 1 ком ставим по 2 ком, а подстроечник на 10 ком меняем на 20 ком. Причем стоит учесть, что минимальное напряжение, с которым данная схема может нормально работать это 5 вольт (если с натяжкой то 4 вольта). А дело в том, что при напряжении менее 4 вольт имеющейся полевой транзистор просто не откроется. Ну, и поскольку у полевых транзисторов подобного типа имеется максимально допустимое напряжение для управляемого напряжения, которое не должно превышать 20 вольт, то при использовании схемы защиты при напряжениях более 20 вольт нужно добавить в схему стабилитрон между затвором и истоком полевика VT2.
Ну, а в целом данная схема проверена, и она полностью работоспособна.
Видео по теме данной статьи (Как сделать простую защиту от перенапряжения для электронных устройств, схем своими руками) можно посмотреть тут - https://dzen.ru/video/watch/620cef0e87455b5b28ac76e2 .
