Защитные схемы используются повсеместно. Бывает, что на какое-либо устройство подаётся напряжение выше допустимого. Такое может произойти из-за различных факторов, например неисправность источника питания, либо удар молнии. В то же время очень часто перенапряжение вызывает статическое электричество, которое повышает напряжение на металлоконструкции, проводниках или элементах электронных схем. А это повышение в свою очередь может многократно превышать напряжение питания электронных схем. Вследствие чего разрабатываются защитные схемы, которые спасают от перенапряжения различные устройства, на которые установлена данная схема.
Актуальность работы: создание защитных схем небольших габаритов и с учётом индивидуальных особенностей нужного устройства. Создание схем с широким диапазоном недопустимых напряжений.
Целью работы является исследование работы защитной схемы для датчика давления на корабле.
Научная ипрактическая новизна работы заключается вразработке защитной схемы для конкретного устройства, а также уменьшенные габариты.
Практическая ценность работы заключается в защите от перегрузок внутри схемы датчика давления и защиты самого датчика от разрушения.
Результатом работы является разработка защитной схемы для датчика давления, изучение её основных элементов и проверка её работоспособности.
- Перенапряжение.
В нашей повседневной среде невозможно обойтись без статического электричества. Само явление объясняется возникновению на поверхности проводников и накапливании свободных электрических зарядов. Статическое напряжение вызывает импульсы тока, которые ведут к выходу устройства из стоя, вследствие чего разрабатывают специальные схемы, которые могли бы уберечь от скачков напряжения.
Также перенапряжение могут вызвать грозовые разряды. Перепадом напряжения называют случайные пульсации напряжения на большую амплитуду, чем амплитуда рабочего напряжения. Такие перепады длятся от нескольких наносекунд до нескольких миллисекунд, чего достаточно для выхода из стоя оборудования.
- Способы защиты электроники от перенапряжения.
Чтобы уберечь устройство от перенапряжения, используют защитные схемы, которые состоят из элементов активной защиты. Например TVS-диоды (transient voltage suppressors), также называемые супрессорами, варисторы, TVS-тиристоры и разрядники.
Защитные схемы должны выполнять ряд функций:
− отводить скачок напряжения от устройства;
− фиксация напряжения ниже максимально возможной для требуемого устройства;
− возврат к рабочему режиму без ухудшения функционирования.
Защитная схема должна обладать быстрым временем реакции и малыми габаритами.
- Изучение защитной схемы для датчика давления.
В данной работе рассматривается защитная схема для датчика давления. В схеме использовались TVS-диоды и варисторы. В модификации для борьбы с грозовыми разрядами также используется разрядник.
Рис. 1. Принципиальная схема защитной схемы
3.1. TVS-диоды, варисторы иразрядники.
TVS-диод — это полупроводниковый диод, который работает на обратной ветви ВАХ с лавинным пробоем или на прямой ветви ВАХ. Предназначен для защиты от перенапряжения интегральных схем.
Рис. 2. ВАХ TVS-диода
Одним из важных плюсов TVS-диодов является их быстрое время реакции. Это время составляет несколько пикосекунд. Но есть минус: технология TVS-диодов не позволяет делать их достаточно эффективными при напряжении ниже 5 вольт.
В данной работе используется диод с напряжением срабатывания 30 вольт, то есть при напряжении до 30 вольт диод работает в режиме высокоимпедансной нагрузки. В тот момент, когда напряжение превышает рабочее напряжение цепи, сопротивление ограничителя понижается, и ток начинает течь через ограничитель. Когда напряжение возвращается в своё нормальное состояние, ограничитель начинает опять работать в высокоимпедансном режиме.
Также в схеме используются варисторы. Варистор — это нелинейный резистор, который зависит от приложенного к нему напряжения.
Рис. 3. ВАХ варистора
Отличительной чертой варистора является двухсторонняя симметричная нелинейная ВАХ.
В работе используются как ограничители верхнего порога тока. В данном случае напряжение срабатывания 125В. То есть, когда напряжение меньше напряжения срабатывания, варистор работает как резистор с большим сопротивлением. Как только напряжение становится выше, варистор снижает своё сопротивление до близкому к нулю, вследствие чего образуется короткое замыкание и отключение самой цепи, без разрушения самого датчика.
Плюсами является низкая цена и высокое значение допустимого тока, но при этом ограниченный срок службы и высокое напряжение ограничения.
Данную схему можно модифицировать и добавить в неё разрядник. Разрядник, это элемент, который спасает от перенапряжения из-за атмосферных явлений, например грозы. Состоит из керамической трубки, заполненной инертными газами. Плюс в том, что может выдержать очень большую нагрузку до десятков килоампер, но минусом является большое время срабатывания, из-за чего рациональнее всего использовать его вместе с TVS-диодами.
- Эксперимент.
После разработки был проведён эксперимент, в котором была проверена работоспособность защитной схемы и её возможность предохранять от перенапряжения.
В ходе эксперимента был подключён источник питания на вход и вольтметр на выход. Результаты исследования отображены на рисунке 4, где изображена зависимость входного напряжения от выходного.
Рис. 4. График зависимости Uвх и Uвых
Заключение.
Как видно из графика, при подаче напряжения больше 35В напряжение на выходе не превышает 30В, как и требовалось по условиям работы датчика. Оптимальным вариантом разработки схем является использование комбинирование TVS-диодов и разрядников, так как этот вариант защиты спасёт от выхода из строя датчик в любой ситуации. Применение защитных схем позволит предохранить зачастую важные и дорогостоящие элементы от разрушения.
Литература:
- Кучиев Л. Н., Пожидаев Е. Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. — М.: ИД «Технологии», 2005. — 354 с.
