Технознание. Защита от "Дурака" ч.4

Последним бастионом защиты оборудования от нештатных ситуаций являются алгоритмические защиты. Но предпоследними, и самыми ответственными, являются схемотехнические защиты.

Темой сегодняшней статьи будут базовые схемотехнические защиты.

Защита схемы прибора от нештатного воздействия сводится к приведению потенциалов и токов в защищаемых приборных цепях к штатным значениям. Но не менее важной является защита от нештатных комбинаций по времени прихода сигналов на входные цепи оборудования. Несоблюдение последнего условия может привести к полному краху оборудования, сравнимому по воздействию на него с воздействием оружия направленной энергии!

Наиболее востребованной защитой оборудования является защита от превышения потенциалов на входных или выходных цепях устройства. Наиболее часто применяемой для этого является диодная защита.(я не буду описывать здесь что такое диод и какие они бывают).

Типовая схема диодной защиты. Здесь +Um это положительный потенциал питания схемы, -Um соответственно отрицательный.

Указанная схема очень широко применяется как в составе плат, так и в составе схемотехники микросхем. Здесь резистор R играет роль ограничителя тока при превышениях потенциалов. Мощность и номинал резистора как и параметры диодов зависят от ТЗ на проектируемое устройство. Схема хороша своим быстродействием и простотой реализации. Допускает большой диапазон входных сигналов.

Работа схемы сводится к открытию диода VD1 или VD2 при превышении потенциала входной линии питающих потенциалов в схеме и ограничении протекающего при этом тока резистором R. При положительном превышении работает диод VD1, а при отрицательном работает VD2.

Когда диапазон входных сигналов мал, схему упрощают:

Схема диодной защиты для малосигнальных цепей. Максимальное напряжения сигнала в этой схеме не должно превышать напряжения открытия примененных диодов. Как правило - 0,6 В для кремниевых диодов и 0,2 В для диодов с барьером Шоттки.

Указанная схема широко применяется для защиты входов радиоприемных устройств. Дело в том что источники питания аппаратуры могут давать большие напряжения шума на входных цепях и их участие в схеме защиты при этом иногда сильно нежелательно.

Также для защиты от кратковременного низкоэнергетического нештатного воздействия могут использоваться т.н. защитные диоды:

Защитный диод (супрессор): принцип работы, как проверить TVS-диод. | Электронщик | Яндекс Дзен (yandex.ru)

Одним из ключевых параметров TVS диода является предельно допустимая импульсная мощность, которая определяет его способность стойко переносить перенапряжения. Сам по себе защитный TVS диод является недостаточно надежным решением из-за того что время воздействия перенапряжения жизнь не нормирует, а вот тепловое разрушение его структуры происходит довольно быстро. Для того чтобы нормировать мощность на TVS диоде вводят дополнительные элементы защиты. Например, полимерный самовосстанавливающийся предохранитель (Самовосстанавливающиеся предохранители. Мифы и реальность / Хабр (habr.com)):

Типичная схема защиты входа от высокоэнергетического воздействия состоящая из полимерного предохранителя FU и защитного диода VD.

В указанной схеме скоростной TVS диод VD гарантирует отсутствие превышения напряжения на защищаемой цепи, а полимерный предохранитель FU позволяет нормировать энергию на диоде VD и не дает ему разрушиться.( и не дает подпалить плату повышенным током!) Отдельным бонусом этой схемы является защита от обратной полярности на входе, что широко применяется для защиты входов источников питания постоянного тока и DC-DC преобразователей. Для пригодности схемы к работе с двухполярными сигналами применяют симметричную версию защитного диода VD.

Для защиты цепей питания где весьма вероятно появление мощных нештатных потенциалов и токов используют комбинированную защиту из варисторов, разрядников, предохранителей и парафазных дросселей.

Типичная схема защиты линий связи для телекоммуникационного оборудования. Подобные схемы применяют и для защиты линий питания.

В указанной схеме реализована защита как от синфазных так и от дифференциальных перенапряжений. На подавление первых работает разрядник FV и парафазный дроссель L. На подавление вторых работает варистор VR и полимерные предохранители FU1 и FU2.

Под синфазными подразумеваются одинаковые перенапряжения в обеих входных линиях относительно общего корпуса оборудования. Под дифференциальными перенапряжениями подразумевается перенапряжение между входными линиями.

Про варистор VR можно прочитать тут: Варистор, варисторная защита - принцип действия, применение | Электронщик | Яндекс Дзен (yandex.ru)

Под парафазным дросселем L понимается трансформатор тока с одинаковыми обмотками со встречной намоткой. В таком трансформаторе входные синфазные токи в двух обмотках компенсируют друг друга через общий магнитопровод. Это проявляется в увеличении реактивного сопротивления для синфазных токов в такой схеме.

Яркий представитель армии парафазных дросселей. Этот экземпляр обеспечивает защиту входных цепей питания.

Откуда могут появляться синфазные перенапряжения? Это многочисленные наводки от проложенных параллельных линий в кабельном канале или на эстакадах, наводкам от статических разрядов или грозы. Дифференциальные перенапряжения могут появляться в линии из-за переходных процессов коммутации на линии или нештатной работы неисправного оборудования, подключенного к этой линии.

Отдельным вопросом является вопрос грозозащиты. К сожалению, от прямого удара молнии указанные методы не защитят. А защитит только комплексная защита включающая специально спроектированное заземление и молниеприемники. Но от косвенного воздействия схемотехнические методы в комбинации с остальными обеспечивают надежную защиту.

Отдельной темой является обеспечение необходимых потенциалов частей оборудования на всех этапах его работы. Для этого чаще всего используется нормирование потенциалов на линиях с помощью резисторов и резисторных сборок.

Типовая схема использования резисторных сборок RN для "подтягивания" потенциалов цифровых линий. Это позволяет избежать появления плавающих потенциалов на высокоомных входах микросхем и узлов оборудования.

Наличие высокоомных входов КМОП цифровых микросхем позволяет получать большой коэффициент разветвления по выходам, но и накладывает ответственность на разработчика по приведению входов в штатное состояние при включении и выключении оборудования. Проще всего решать эти проблемы использованием резисторных сборок обеспечивающих дежурные потенциалы до и после рабочих режимов оборудования. Несоблюдение этого правила может привести к множеству неприятных "сюрпризов" с паразитными интегрирующими RC цепочками на участках схем и повреждением управляемых силовых устройств или "зависанию устройства".

В современном сложном микропроцессорном оборудовании используется огромное количество резисторных сборок для нормирования сопротивления или потенциалов множества цифровых линий, присутствующих в оборудовании.

Сейчас, с развитием прогресса, для отечественных разработчиков открылись широкие возможности по использованию специально разработанных микросхем и сборок для схемотехнической защиты сигнальных цепей оборудования.

Но основной защитой является четкое понимание условий использования оборудования со стороны инженера-разработчика и правильное составление ТЗ и эксплуатационной документации.

Конец цикла.

Технознание. Защита от "Дурака" ч.1 | Записки радиоконструктора | Яндекс Дзен (yandex.ru)

Технознание. Защита от "Дурака" ч.2 | Записки радиоконструктора | Яндекс Дзен (yandex.ru)

Технознание. Защита от "Дурака" ч.3 | Записки радиоконструктора | Яндекс Дзен (yandex.ru)