Nachádzate sa tu
Kapitola 4
4. DIÓDA AKO OCHRANNÝ PRVOK
Typy ochranných funkcií diód: zamedzenie vzniku veľkých indukovaných napätí, ochrana proti prepólovaniu jednosmerných zariadení, ochrana vstupov pred záporným napätím, obmedzenie napätí na vstupoch obvodov.
Dióda sa v týchto aplikáciách využíva ako ventil. Vo väčšine prípadov použitia sú potrebné resp. vhodné rýchle spínacie diódy, v niektorých prípadoch je dôležitý výber diódy podľa prúdu resp. hodnoty nárazového prúdu a v určitých prípadoch sú vhodné Zenerové diódy.
4.1 Zamedzenie vzniku veľkých indukovaných napätí
Prepätie na indukčnej záťaži vzniká pri vypínaní prúdu ako dôsledok indukčného zákona o indukovanom napätí. Jeho veľkosť môže byť niekoľkonásobne vyššia ako je veľkosť napájacieho napätia a závisí od: veľkosti indukčnosti, veľkosti prúdu v zopnutom stave a od rýchlosti procesu vypínania. Nahromadená energia v magnetickom poli sa pri vypínaní musí nejako spotrebovať. V kontaktných spínačoch vznikom oblúka (iskrenie) pri vypínaní kontaktu. V elektronických spínačoch oblúk vzniknúť nemôže, ale vzniká na spínacom prvku (tranzistore alebo tyristore) veľké napätie, ktoré môže zničiť spínací prvok (prieraz PN priechodu), alebo izoláciu vinutia cievky. Ochrana proti vzniku prepätia je aktuálna najmä u spínačov v jednosmerných obvodoch, vypínanie prúdu v striedavých tyristorových obvodoch väčšinou nie je kritické, pretože k nemu dochádza pri priechode prúdu nulou. Typy induktívnych záťaží: jednosmerný motor, elektromagnet, vinutie relé, vinutie elektromagnetickej spojky alebo brzdy.
Tranzistorový spínač indukčnej záťaže (SE NPN)
I = (UN -UCES ) /Rl
UN /RL
IB = S(IC /h21E)
S - činiteľ presýtenia (2 až 5)
h21E - prúdový zosilňovací činiteľ tranzistora
UCES - saturačné napätie zopnutého tranzistora
Obr. 4.1.1 Tranzistorový spínač indukčnej záťaže
Ochranná dióda D0 zamedzuje nárast indukovaného napätia tým, že cievka je premostená diódou umožňujúcou vznik prúdu IV, ktorým sa energia magnetického poľa vybije. V prípade záťaží s veľmi veľkou indukčnosťou a veľkým prúdom v zopnutom stave, sa časť energie stráca na odpore R0, aby sa dióda nezničila.
Ochrana proti prepätiu pomocou Zenerovej diódy
Obr.4.1.2 Ochrana proti prepätiu pomocou Zenerovej diódy
Ochrana proti prepätiu pomocou diódy a pomocného zdroja
UP > U
Obr.4.1.3 Ochrana proti prepätiu pomocou diódy a pomocného zdroja
4.2 Ochrana proti prepólovaniu jednosmerného napájacieho napätia
Niektoré zariadenia majú ochranu voči prepólovaniu vstavanú napr.: fotozávory, niektoré operačné zosilňovače a integrované obvody. Problém správnej polarity napájania je aktuálny najmä u zariadení, ktoré sa často odpájajú.
Z - zdroj
S - spotrebič
Us = UZ - UD
Obr.4.2.1 Ochrana proti prepólovaniu jednosmerného napájacieho napätia
Pri nesprávnom pripojení spotrebič nepracuje. Zapojenie sa používa v zariadeniach, ktoré majú odpor podstatne menší ako odpor diódy v závernom smere.
Ochrana paralelne zapojenou diódou
US=UZ
US = UZ
Obr.4.2.2 Ochrana paralelne zapojenou diódou
Dióda pri správnej polarite nezmenšuje napätie. Pri prepólovaní sa prepáli poistka FU.
Ochrana paralelnou diódou a termistorom PTC
Obr.4.2.3 Ochrana paralelnou diódou a termistorom PTC
Pri správnej polarite termistor kladie malý odpor, ak však zapojenie prepólujeme, termistor sa zohreje a zvýši svoj odpor o niekoľko rádov, čím zabraňuje prietoku prúdu. Odpor spotrebiča musí byť veľký (odber prúdu malý), aby pri správnej polarite napätia kládol termistor malý odpor a neznižoval napätie spotrebiča. Pri prepólovaní US = -UD (0,7 V).
Ochrana diódovým mostíkom
Obr.4.2.4 Ochrana diódovým mostíkom
V tomto prípade sa o polaritu netreba starať, pretože mostík ju vždy otočí do správnej orientácie. Nevýhodou je, že ak zariadenia pracujú pri malých napätiach (napr.: TTL 5 V), potom bude napätie US o úbytok na dvoch diódach menšie (5 - 1,4 = 3,6 V), teda výrazne menšie. Diódový mostík je vhodný najmä pre spotrebiče so vstavaným stabilizátorom napätia.
4.3 Ochrana vstupov proti záporným napätiam a obmedzenie kladných napätí
Niektoré spínacie (dvojstavové) obvody a všetky číslicové IO sú ovládané len napätím jednej polarity - unipolárnym signálom, druhá polarita je neželaná a môže spôsobiť zničenie spínacieho prvku alebo IO. Spínacie a IO sú často riadené výstupmi obvodov obojakej polarity - bipolárnym signálom, typicky sú to operačné zosilňovače napájané symetrickým napájacím napätím. Pri ovládaní vstupov TTL vzniká ďalší problém – zmena resp. obmedzenie vstupného napätia na úroveň vstupov TTL logiky:
UIL = 0 ÷ 0,8 V, UIH = 2 ÷ 5 V.
Ochrana vstupu tranzistorového spínača proti zápornému napätiu
Obr.4.3.1 Ochrana vstupu tranzistorového spínača proti zápornému napätiu
Priechod B-E tranzistora máva malé dovolené záverné napätie. Pri ovládaní bipolárnym signálom zápornú časť potláča ochranná dióda na hodnotu: UBE = - 0,7 V.
Ochrana vstupu TTL IO pred záporným napätím a obmedzenie kladného napätia Zenerovou diódou
UIL = - 0,7 V
UIH = UZD(3÷5 V)
obr.4.3.2 Ochrana vstupu TTL IO pred záporným napätím a obmedzenie kladného napätia Zenerovou diódou
Zmenšenie unipolárneho vstupného napätia pre vstup TTL IO
UZD =3 V, UIH = UZD , UIL≤ 0.8V
IIL= -1,6 mA, preto R < 400 Ω
Obr.4.3.3 Zmenšenie unipolárneho vstupného napätia pre vstup TTL IO
V zapojení vpravo môže byť hodnota odporu podstatne väčšia, pretože UIL = UxL+UD (nezávisí od R). Vyberá sa dióda s malým priepustným napätím.
Obmedzenie záporného aj kladného napätia dvoma diódami
Obr.4.3.4 Obmedzenie záporného aj kladného napätia dvoma diódami
Dióda D1 obmedzuje zápornú časť ovládacieho napätia.
Dióda D2 obmedzuje kladnú časť ovládacieho napätia.
UIH = 5 V + UD = 5,7 V
Niektoré obvody rutinne spracovávajú signály malej úrovne (x mV až 0,x V). Sú to najmä zosilňovače a operačné zosilňovače s veľkým napäťovým zosilnením. Signál rádu x V by spôsobil zničenie alebo nevyhovujúcu funkciu obvodu. V takýchto obvodoch možno vo funkcii obojsmerného obmedzovača použiť bežné diódy.
Obr. 4.3.5 Ochrana vstupov operačných zosilňovačov
Pre malé užitočné signály predstavujú diódy takmer nekonečný odpor a neovplyvňujú prenos do vstupov OZ. Veľké napätia obmedzujú na asi 0,7 V.
Niektoré logické obvody pracujúce s kapacitnou väzbou (napr. monostabilné klopné obvody), vytvárajú pri svojej funkcií aj záporné napätie, ktoré môže poškodiť v niektorých prípadoch vstup. Pre potlačenie záporného napätia možno požiť diódu. Zapojenie monostabilného klopného obvodu s časovaním pomocou R,C prvkov:
R ≤ 600 W
Obr. 4.3.6 Ochrana vstupov TTL obvodu v monostabilnom obvode
Bez diódy by po ukončení impulzu U0 vzniklo pri vybíjaní kondenzátora záporné napätie na rezistore R asi - 4 V. Diódou sa toto napätie obmedzí na hodnotu -0,7 V, dióda zároveň priaznivo skracuje čas vybíjania kondenzátora t.j čas zotavenia obvodu potrebného na príjem ďalšieho impulzu. Rezistor R0 obmedzuje vybíjací prúd na dovolenú hodnotu.
4.4 Obmedzenie veľkých napätí na vstupoch (prepäťová ochrana)
Názov prepäťová ochrana je na mieste, ak obvod rutinne spracováva malé užitočné signály , ale na vstup sa náhodne môžu dostať aj signály rušenia s podstatne vyššou amplitúdou, ktoré môžu spôsobiť zničenie obvodu alebo výpadok funkcie obvodu (napr. AVC obvod prijímačov). Pre túto ochrannú funkciu sa požívajú Zenerové diódy a diaky, v starších zariadeniach tlejivky.
Ochrana vstupu spotrebičov proti veľkému napätiu
Obr. 4.4.1 Ochrana vstupu spotrebičov proti veľkému napätiu
Hodnota odporu R sa volí tak, aby pre malý - užitočný signál spôsoboval malý útlm.
Indikátor striedavého napätia so svietivou diódou LED
Obr. 4.4.2 Indikátor striedavého napätia so svietivou diódou LED
Bez ochrannej diódy D0 by bola LED zničená zápornou polvlnou vstupného napätia, pretože dovolené záverné napätie u svietivých diód je veľmi malé (x V).
Ochrana meracieho prístroja pred preťažením
Obr. 4.4.3 Ochrana meracieho prístroja pred preťažením