Для чего нужно изменять полярность подключения питания

Защита устройств от неправильной подачи полярности питания

При проектировании промышленных приборов, к которым предъявляются повышенные требования по надёжности, я не раз сталкивался с проблемой защиты устройства от неправильной полярности подключения питания. Даже опытные монтажники порой умудряются перепутать плюс с минусом. Наверно ещё более остро подобные проблемы стоят в ходе экспериментов начинающих электронщиков. В данной статье рассмотрим простейшие решения проблемы — как традиционные так и редко применяемые на практике методы защиты.

Простейшее решение, которое напрашивается с ходу — включение последовательно с прибором обычного полупроводникового диода.

Просто, дёшево и сердито, казалось бы чего ещё нужно для счастья? Однако, у такого способа есть очень серьёзный недостаток — большое напряжение падения на открытом диоде.

Вот типичная ВАХ для прямого включения диода. При токе в 2 Ампера напряжение падения составит примерно 0.85 вольт. В случае низковольтных цепей 5 вольт и ниже это очень существенная потеря. Для более высоковольтных такое падение играет меньшую роль, но есть ещё один неприятный фактор. В цепях с высоким током потребления на диоде будет рассеиваться весьма значительная мощность. Так для случая, изображённого на верхней картинке, получим:
0.85В х 2А = 1.7Вт.
Рассеиваемая на диоде мощность уже многовата для такого корпуса и он будет ощутимо греться!
Впрочем, если вы готовы расстаться с несколько большими деньгами, то можно применить диод Шоттки, который имеет меньшее напряжение падения.

Вот типичная ВАХ для диода Шоттки. Подсчитаем рассеиваемую мощность для этого случая.
0.55В х 2А = 1.1Вт
Уже несколько лучше. Но что же делать если ваше устройство потребляет ещё более серьёзный ток?
Иногда параллельно устройству ставят диоды в обратном включении, которые должны сгореть если перепутать напряжение питания и привести к короткому замыканию. Ваше устройство при этом скорее всего потерпит минимум повреждений, но может выйти из строя источник питания, не говоря уже о том, что сам защитный диод придётся заменить, а вместе с ним могут и дорожки на плате повредиться. Словом этот способ для экстрималов.
Однако, есть ещё один несколько более затратный, но весьма простой и лишённый перечисленных выше недостатков способ защиты — с помощью полевого транзистора. За последние 10 лет параметры этих полупроводниковых приборов резко улучшились, а цена наоборот сильно упала. Пожалуй то, что их крайне редко используют для защиты ответственных цепей от неправильной полярности подачи питания можно объяснить во многом инерцией мышления. Рассмотрим следующую схему:

При подаче питания напряжение на нагрузку проходит через защитный диод. Падение на нём достаточно велико — в нашем случае около вольта. Однако в результате между затвором и истоком транзистора образуется напряжение превышающее напряжение отсечки и транзистор открывается. Сопротивление исток-сток резко уменьшается и ток начинает течь уже не через диод, а через открытый транзистор.

Перейдём к конкретике. Например для транзистора FQP47З06 типичное сопротивление канала будет составлять 0.026 Ом! Нетрудно рассчитать что рассеиваемая при этом на транзисторе мощность для нашего случая будет всего 25 милливатт, а падение напряжение близко к нулю!
При смене полярности источника питания ток в цепи течь не будет. Из недостатков схемы можно пожалуй отметить разве то, что подобные транзисторы имеют не слишком большое пробивное напряжение между затвором и истоком, но слегка усложнив схему можно применить её для защиты более высоковольтных цепей.

Думаю читателям не составит труда самим разобраться как работает эта схема.

Уже после публикации статьи уважаемый пользователь Keroro в комментариях привел схему защиты на основе полевого транзистора, которая применяется в iPhone 4. Надеюсь он не будет возражать если я дополню свой пост его находкой.

• электроника для начинающих
• схемотехника

• Схемотехника
• Электроника для начинающих

Урок 4 — Источники питания

Каждая электронная схема корректно работает в строго оговоренном диапазоне напряжения источника питания, и эту величину мы обязательно указываем в инструкции.
Например, в инструкции может быть написано так: «напряжение питания: 9…12В».
Если напряжение питания будет менее 9В, то схема может не включиться совсем, либо работать некорректно (тусклое свечение светодиодов, слабый звук и т.п.).
Гораздо более грубая ошибка – превышать напряжение питания. Например, при напряжении питания более 12В отдельные элементы схемы могут перегреваться или даже выйти из строя. Это может произойти через какое-то время (секунды, минуты, часы). В таком случае можно, заметив проблему в виде повышенного нагрева каких-то компонентов, успеть выключить питание и спасти конструкцию от выхода из строя.
Но процесс выхода из строя схемы может произойти и мгновенно после подачи напряжения питания – в таком случае придётся менять вышедшие из строя радиодетали.

Полярность напряжения питания

У любого источника питания, будь то батарея или сетевой блок питания, есть полярность: выводы «+» и «-». Очень часто в электронике вывод «-» называют «общим» проводом схемы, либо проводом «земли». По-английски вывод схемы «минус» иногда обозначают как «GROUND» или «GND». На схеме вывод для подключения плюсового вывода источника питания обозначается явно: «+», либо «+Vcc».
Очень часто в радиотехнике плюсовой вывод источника питания подключается проводом красного цвета, а минусовой – чёрным или синим проводом. Конечно, на качестве работы схемы цвет проводов не сказывается, да и не всегда это правило соблюдается, но знание этого правила может оказаться полезным, а соблюдение его означает высокий уровень радиолюбительской культуры разработчика.
Очень важно соблюдать правильную полярность подключения питания: в случае неправильного подключения полярности схема может не только не заработатЬ, но и моментально выйти из строя.

(Чтобы не запутывать начинающего радиолюбителя, здесь я не рассматриваю двуполярные источники питания со средней точкой – в схемах для начинающих радиолюбителей такое питание практически никогда не используется).

Тип источника питания

Вы можете питать свою конструкцию от батарей, аккумуляторов или сетевого источника питания.
Самые распространённые стандарты (или, как говорится, типоразмеры) батарей: элементы типа «АА» («пальчиковые» элементы питания напряжением 1,5В), «ААА» («мизинчиковые» элементы напряжением 1,5В), батареи типа «Крона» (9В).
Как же быть, если рекомендованное напряжение питания схемы, допустим, 5В?
Питать такую схему от батареи типа «Крона» напряжением 9 Вольт недопустимо – схема может выйти из строя. Но можно соединить несколько элементов напряжением 1,5 В последовательно, при этом напряжение получившейся батареи будет 4х1,5=6В. Как правило, для простых радиолюбительских конструкций такое превышение напряжения от номинального допустимо. Другой вариант: соединить последовательно три батареи и питать схему напряжением 4,5В: но в этом случае схема может либо изначально не заработать, либо по мере разряда батарей начать работать некорректно.

Принцип последовательного соединения батарей показан на рисунке:

Чтобы не паять контакты батарей, отдельные элементы удобно собирать в батарею с помощью так называемых батхолдеров – держателей батарей. На рисунке ниже показан батхолдер на 4 элемента типа «АА». Общее напряжение получившейся батареи – 6В. Держатели батарей можно купить в магазинах радиотоваров, либо заказать по почте в интернет-магазинах «Десси», «ДКО Электронщик» и подобных.

Батарейное (аккумуляторное) питание незаменимо для мобильных устройств.
Но батареи разряжаются, и их приходится заменять, что не всегда удобно и всегда невыгодно. Хорошая альтернатива – аккумуляторы, которые можно периодически заряжать. Аккумулятор стоит в среднем в пять раз дороже батарейки аналогичного типоразмера, кроме того, требуется приобрести зарядное устройство. Однако способность аккумулятора к многократной перезарядке делает такую покупку выгодной.
Но питать электронную конструкцию в домашних условиях от батарей или аккумуляторов – непозволительная роскошь. В таких случаях выгоднее применять сетевые источники питания (другое название – сетевые адаптеры). Вы можете приобрести новый сетевой адаптер, либо использовать уже имеющийся адаптер от ненужной бытовой техники.
Главные параметры адаптера: его номинальное напряжение и ток. Эти параметры указываются на корпусе адаптера. Например, ели на адаптере написано: «12V 0,5A» — это значит, что адаптер выдаёт 12 Вольт с максимальным током до 0,5 Ампер = 500 мА. Встречается другой вариант написания, например: «5V 10W». Это значит, что адаптер имеет выходное напряжение 5В и допустимую мощность нагрузки – 10 Вт, или допустимый ток нагрузки: 10/5=2A.
Адаптер, как правило, имеет на конце провода разъём. В радиолюбительской практике часто удобнее пользоваться двумя проводками – «+» и «-». В таком случае, просто откусите разъём кусачками. Как же определить, какой вывод адаптера – «плюс», а какой – «минус»?
Часто на проводе «+» есть белые метки, но это правило не обязательно всегда выполняется производителем. Проще всего для определения полярности воспользоваться мультиметром, о работе с которым мы поговорим в следующий раз.
Сетевой адаптер можно приобрести в магазинах радиотоваров, либо в интернет-магазинах «ДКО Электронщик», «Десси» и т.п.

Потребляемый ток

Любая электронная схема может быть более или менее «прожорливой». Например, радиоприёмник и фонарик питаются одним и тем же напряжением – 4,5В (от трёх батареек). Но приёмник может работать от батарей несколько суток, а фонарик разряжает эти же батарейки за несколько часов непрерывной работы. Дело в том, что разные электронные конструкции имеют разный ток потребления.
Ток потребления обычно указывается в миллиамперах. Зная ток потребления схемы, мы можем примерно оценить время работы конструкции от комплекта батарей или аккумуляторов.
Например, алкалиновый элемент типа «АА» имеет ёмкость около 1500…3000 мА/ч, алкалиновый элемент типа «АА» — около 1000 мА/ч, батарея типа «Крона» — около 100 мА/ч. Не ищите эти цифры на корпусе батареи: производители не считают нужным их указывать. Знайте только, что алкалиновые элементы питания имеют гораздо большую ёмкость и срок хранения, чем солевые. Поэтому, несмотря на несколько более высокую цену, рекомендую всегда приобретать алкалиновые элементы питания.
Таким образом, от комплекта батарей типа «АА» схема с током потребления100 мА может проработать ориентировочно 2000/100 = 20 часов. Эта же конструкция от батареи типа «Крона» проработает только 100/20 = 5 часов.
Если батарея собрана из нескольких последовательно соединённых элементов питания, ёмкость батареи определяется ёмкостью каждого элемента. Например, ёмкость батареи из десяти последовательно соединённых элементов ёмкостью по 1600 мА/ч каждая будет иметь ёмкость также 1600 мА/ч.
Это очень примерный расчёт. На практике время работы устройства зависит от многих факторов: фирмы-производителя батарей, режимом эксплуатации схемы (непрерывная работа или периодическое включение-выключение), температурой эксплуатации.
Значение тока потребления схемы важно знать и при выборе сетевого адаптера.
Каждый адаптер имеет максимально допустимый ток, который он может выдать в нагрузку. Этот параметр указывается на корпусе адаптера (см. выше).
Если схема потребляет 500 мА (0,5А), а адаптер способен выдавать только 0,3А – адаптер будет перегреваться и может необратимо выйти из строя (если это дешёвый адаптер), либо аварийно отключиться (это касается более качественных адаптеров, имеющих защитные цепи).
Обратная ситуация: если ток адаптера гораздо выше тока потребления схемы – абсолютно допустима и нормальна. Например, если адаптер способен обеспечить ток до 2А, а схема потребляет всего 50 мА (0,05A) – ничего страшного. Схема никогда не «возьмёт» от сетевого адаптер ток больший, чем ей необходимо.

Последствия изменения полярности: Критический взгляд на последствия

Электрические системы являются основой современной цивилизации, обеспечивая энергией все — от наших домов до промышленных предприятий. Несмотря на то, что эти системы спроектированы с учетом мер безопасности, последствия одной серьезной ошибки могут быть весьма плачевными. Изменение полярности — термин, часто встречающийся в контексте электрических цепей, — может привести к целому каскаду проблем, способных нарушить целостность всей системы. Понимание последствий переполюсовки необходимо всем, кто работает с электрическими устройствами, поскольку последствия могут быть самыми разными — от незначительных сбоев до катастрофических отказов.

Понимание полярности в электрических системах

В электротехнике под полярностью понимается направление протекания тока в цепи. В системе постоянного тока (DC) поток электронов является однонаправленным, и изменение полярности означает изменение направления этого потока. Это часто встречается в контексте подключения батарей или источников питания к электрическим устройствам, где для правильного функционирования системы необходимо соблюдать полярность.

Последствия изменения полярности

• Повреждение оборудования: Изменение полярности может привести к серьезному повреждению электрооборудования. Такие компоненты, как диоды, транзисторы и интегральные схемы, чувствительны к направлению протекания тока. Изменение полярности может привести к выходу из строя этих компонентов, что сделает устройство неработоспособным.

Профилактические меры

1. Двойная проверка подключений: Перед включением любого электрического устройства необходимо дважды проверить правильность подключения, соблюдая полярность.
2. Используйте поляризованные вилки и розетки: Многие электрические устройства комплектуются поляризованными вилками и розетками, которые предотвращают изменение полярности. Убедитесь, что они используются правильно, чтобы свести к минимуму риск случайного переключения.
3. Установите защитные устройства: Используйте предохранители, автоматические выключатели и другие защитные устройства, чтобы обезопасить электрическую систему от возможных повреждений, вызванных изменением полярности или другими неисправностями.

Заключение

В сложном мире электрических систем соблюдение правильной полярности имеет первостепенное значение для обеспечения бесперебойной работы и долговечности оборудования. Нарушение полярности может иметь далеко идущие последствия — от повреждения оборудования до угрозы безопасности. Понимая последствия и принимая профилактические меры, мы можем снизить риски, связанные с изменением полярности, и тем самым обезопасить как электрические системы, так и людей, работающих с ними.

Our partners

Being open to communication, playing fair when it comes to business has helped WYBOR remain the battery market leader since 1996.

Пара слов о «полярности» переменного напряжения

Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они предоставляют удобный метод символьной записи сдвига фаз между параметрами переменного тока, такими как напряжение и ток.

Однако большинству людей нелегко понять эквивалентность абстрактных векторов и реальных параметров схемы. Ранее в данной главе мы видели, как источники переменного напряжения задаются значениями напряжения в комплексной форме (амплитуда и угол фазы), а также обозначением полярности.

Поскольку у переменного тока нет параметра «полярности», как у постоянного тока, эти обозначения полярности и их связь с углом фазы могут вводить в заблуждение. Данный раздел написан с целью, прояснить некоторые из этих вопросов.

Напряжение, по своей сути, – относительная величина. Когда мы измеряем напряжение, у нас есть выбор, как подключить вольтметр или другой измерительный прибор к источнику напряжения, поскольку есть две точки, между которыми существует разность потенциалов, и два измерительных щупа у прибора, которые необходимо подключить.

В цепях постоянного тока мы явно обозначаем полярность источников напряжения и падений напряжения, используя символы «+» и «-«, а также используем измерительные щупы с цветовой маркировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное постоянное напряжение, мы знаем, что его измерительные щупы подключены «обратно» напряжению (красный провод подключен к «-«, а черный провод – к «+»).

Полярность батарей обозначается специфичными для них символами: короткая линия батареи всегда является отрицательной (-) клеммой, а длинная линия – всегда положительной (+):

Хотя было бы математически правильно представить напряжение батареи в виде отрицательного значения с обозначением обратной полярности, но это было бы явно необычно:

Интерпретация таких обозначений могла бы быть проще, если бы обозначения полярности «+» и «-» рассматривались как контрольные точки для измерительных щупов вольтметра, «+» означал бы «красный», а «-» означал бы «черный». Вольтметр, подключенный к указанной выше батарее красным щупом к нижней клемме и черным щупом к верхней клемме, действительно будет указывать отрицательное напряжение (-6 вольт).

На самом деле, эта форма обозначения и интерпретации не так уж необычна, как вы могли подумать: она часто встречается в задачах анализа цепей постоянного тока, где знаки полярности «+» и «-» сначала рисуются согласно обоснованному предположению, а затем интерпретируются как правильные или «обратные» в соответствии с математическим знаком рассчитанного значения.

Однако в цепях переменного тока мы не имеем дело с «отрицательными» значениями напряжения. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение совпадает или не совпадает с другим по фазе: т.е. по сдвигу по времени между двумя сигналами. Мы никогда не описываем переменное напряжение как отрицательное по знаку, потому что возможность полярной записи позволяет векторам указывать в противоположных направлениях.

Если одно переменное напряжение прямо противоположно другому переменному напряжению, мы просто говорим, что одно напряжение на 180° не совпадает по фазе с другим.

Тем не менее, напряжение между двумя точками является относительным, и у нас есть выбор, как подключить прибор для измерения напряжения между этими двумя точками. Математический знак показаний вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключений его измерительных щупов: к какой клемме подключен красный щуп, а к какой клемме подключен черный щуп.

Кроме того, угол фазы переменного напряжения имеет значение только в контексте знания, какая из этих двух точек считаются «опорной». Поэтому, чтобы дать заявленному углу фазы точку отсчета, на схемах часто указываются обозначения полярности «+» и «-» на клеммах переменного напряжения.

Показания вольтметра при подключении измерительных щупов

Давайте рассмотрим эти принципы более наглядно. Во-первых, связь между подключением измерительных щупов со знаком на показаниях вольтметра при измерении постоянного напряжения:

Математический знак на дисплее цифрового вольтметра постоянного напряжения имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов. Рассмотрим возможность использования вольтметра постоянного напряжения для определения того, складываются ли два источника постоянного напряжения друг с другом или вычитаются друг из друга, предполагая, что на обоих источниках нет маркировки их полярности.

Использование вольтметра для измерения на первом источнике:

Этот результат первого измерения +24 на левом источнике напряжения говорит нам, что черный провод вольтметра действительно подключен к отрицательной клемме источника напряжения № 1, а красный провод вольтметра действительно подключен к положительной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №1 – это батарея, включенная следующим образом:

Измерение другого неизвестного источника напряжения:

Второе измерение вольтметром показало отрицательные (-) 17 вольт, что говорит нам о том, что черный измерительный щуп на самом деле подключен к положительной клемме источника напряжения № 2, а красный измерительный провод подключен к отрицательной клемме. Таким образом, мы узнаем, что источник №2 – это батарея, включенная в противоположную сторону:

Для любого, знакомого с постоянным током, должно быть очевидно, что эти две батареи противодействуют друг другу. Противоположные напряжения, априори, вычитаются друг из друга, поэтому, чтобы получить общее напряжение на обоих батареях, мы вычитаем 17 вольт из 24 вольт и получаем 7 вольт.

Но мы могли бы изобразить два источника в виде невзрачных прямоугольников, помеченных точными значениями напряжений, полученными с помощью вольтметра, и маркировкой полярности, указывающей на положение измерительных щупов вольтметра:

Важность маркировки полярности

В соответствии со схемой на рисунке 8 (выше) обозначения полярности (которые указывают на положение измерительного щупа вольтметра) указывают, что источники складываются друг с другом. Источники напряжения складываются друг с другом, чтобы сформировать общее напряжение, поэтому мы добавляем 24 вольта к -17 вольтам, чтобы получить 7 вольт: всё еще правильный ответ.

Если мы позволим маркировке полярности определять наше решение, складывать или вычитать значения напряжения (независимо от того, представляют ли эти маркировки полярности истинную полярность или только положение измерительного провода вольтметра), и включим математические знаки этих значений напряжений в наши расчеты, результат всегда будет правильным.

Опять же, маркировка полярности служит ориентиром для размещения математических знаков значений напряжений в правильном контексте.

То же самое верно и для переменного напряжения, за исключением того, что математический знак заменяется углом фазы. Чтобы связать друг с другом несколько переменных напряжений с разными углами фазы, нам нужна маркировка полярности, чтобы обеспечить систему отсчета для углов фаз этих напряжений.

Возьмем, к примеру, следующую схему:

Маркировка полярности показывает, что эти два источника напряжения складываются друг с другом, поэтому для определения общего напряжения на резисторе мы должны сложить значения напряжения 10 В 0° и 6 В ∠ 45° вместе, чтобы получить 14,861 В 16,59 °.

Однако было бы вполне приемлемо представить 6-вольтовый источник как 6 В 225°, с обратной маркировкой полярности, и при этом получить такое же общее напряжение:

6 В 45° с минусом слева и плюсом справа – это точно то же самое, что 6 В ∠ 225 ° с плюсом слева и минусом справа: изменение маркировки полярности идеально дополняет добавление 180° к значению угла фазы:

В отличие от источников постоянного напряжения, где полярность определяется символами из линий, у переменных напряжений нет собственного обозначения полярности. Следовательно, любые знаки полярности должны быть включены в качестве дополнительных символов на схему, и не существует единственного «правильного» способа их размещения.

Однако они должны коррелировать с заданными углами фаз, чтобы представлять истинное фазовое соотношение одного напряжения с другими напряжениями в цепи.

Резюме

• Иногда в принципиальных схемах у переменных напряжений, чтобы обеспечить систему отсчета для углов их фаз, обозначается полярность.