Sposób w jaki zasilany jest układ ma bardzo duże znaczenie dla jego żywotności i trwałości. W większości przypadków, szczególnie u młodych konstruktorów, można zauważyć, że wejście zasilania układu (płytki PCB) składa się tylko ze złącza zasilającego oraz – czasami – diody… Zazwyczaj wszyscy skupiają się na części wykonawczej układu, bagatelizując jednocześnie problemy występujące w sekcji zasilania (“to przecież tylko zasilanie…”).

Powodem takiej sytuacji może być nieświadomość istnienia problemu, niedbałość o trwałość układu, niedbałość o inne układy podłączone do tego samego źródła zasilania lub (co czasami jest konieczne lub narzucone) ograniczanie ceny układu lub powierzchni PCB.

W tym wpisie postaram się przedstawić dwa typowe problemy związane z włączaniem i wyłączaniem urządzenia oraz przedstawię propozycje ich rozwiązania.

Wejście zasilania i jego zabezpieczenia

Każde urządzenie elektroniczne potrzebuje zasilania. Niezależnie od tego czy źródłem zasilania jest bateria, akumulator czy zewnętrzny zasilacz, problemy występujące na wejściu zasilania układu są podobne. Część z nich może wynikać błędów ludzkich, a część jest związana z naturą elektroniki i obowiązującymi w niej prawami.

Zazwyczaj wejście zasilania układów chcemy zabezpieczać:

  • przed zbyt wysokim prądem ładowania pojemności wejściowej,
  • przed przepływem prądu wstecznego,
  • przed przepięciami pochodzącymi z zewnątrz (np. z zasilacza),
  • przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilającego,
  • przed przepływem za dużej wartości prądu.

Jestem przekonany, że mógłbyś do powyższej listy dodać więcej pozycji, ale te wydają mi się najczęściej występujące. W tej publikacji opiszę dwa pierwsze zjawiska, ponieważ w mojej ocenie są bardziej zaniedbane w układach, które miałem okazję widzieć.

Ograniczenie prądu ładowania pojemności wejściowej

Większość urządzeń elektronicznych zaraz za złączem zasilającym posiada kondensator o dużej wartości pojemności. Jego zadaniem jest zagwarantowanie stabilności napięcia dla układu, w którym się znajduje. Poprawne dobranie tej pojemności wcale nie jest łatwym zadaniem, ponieważ jej wartość powinna być określana na podstawie wielu czynników (np. jakość źródła zasilania, środowisko pracy, obciążenie układu). W większości przypadków wartość jest ustalana bez zastanowienia – na “chybił trafił”.

Sprawdźmy więc co dzieje się w układzie z pojemnością wejściową 47 uF, zasilanym z zasilacza o napięciu 5 V oraz dodatkowym obciążeniem rezystancyjnym (50 Ohm). Źródło zasilania jest włączane po pierwszej milisekundzie symulacji. Schemat badanego układu wygląda następująco:

006 - ograniczenie prądu ładowania - schemat - wejście zasilania
Rys. 1. Schemat symulowanego układu.
006 - ograniczenie prądu ładowania - symulacja - wejście zasilania
Rys. 2. Symulacja ładowania pojemności wejściowej układu zasilania.

Na powyższym rysunku widoczne są dwa przebiegi – napięcia na wyjściu (kolor zielony) oraz prądu płynącego przez kondensator C1 (kolor niebieski). Jak widzisz, po załączeniu źródła zasilania przez kondensator przepływa prąd o wartości ponad 20 A! Jest to typowy układ RC o bardzo niskiej stałej czasowej, gdzie wartość R jest wyjątkowo niska. Na poniższym rysunku widoczny jest ten sam impuls prądowy w przybliżeniu.

006 - ograniczenie prądu ładowania - schemat, zoom - wejście zasilania
Rys. 3. Symulacja ładowania pojemności wejściowej układu zasilania – przybliżenie.

W układach elektronicznych zdecydowanie powinno się unikać takich wysokich impulsów prądowych – nawet jeśli trwają one około 20 us. Dlaczego? Widzę trzy główne powody.

  1. Wielokrotnie powtarzające się impulsy (załączanie urządzenia kilka razy w ciągu dnia, przez cały rok), przyspieszy proces starzenia się kondensatora oraz innych elementów, przez które przepływa prąd ładowania, ostatecznie zaburzając lub uniemożliwiając prawidłowe funkcjonowanie reszty urządzenia.
  2. Większość elementów elektronicznych nie jest przystosowana do pracy z takimi prądami – włącznie ze złączami, ścieżkami na płycie PCB.
  3. Sprawę należy również rozpatrywać pod względem funkcjonowania innych urządzeń podłączonych do tego samego źródła zasilania. Po dołączeniu do urządzenia źródła zasilania ze stabilnym (już) napięciem na wyjściu, z zasilacza pobierany jest bardzo duży prąd ładujący kondensator. Nagły wzrost poboru prądu powoduje nagły, chwilowy spadek wartości napięcia zasilającego. To z kolei może skutecznie zaburzyć pracę innych urządzeń podłączonych do tego samego źródła zasilania.

Im większa pojemność kondensatora na wejściu sekcji zasilania tym wyższy impuls prądowy. Poniżej przedstawiam porównanie impulsów prądowych dla 3 różnych wartości pojemności kondensatora.

006 - ograniczenie prądu ładowania - schemat, zoom, porównanie 3 wartości
Rys. 4. Porównanie impulsów prądowych dla 3 różnych wartości pojemności: 47uF (niebieski), 100uF (czerwony), 220uF (błękitny).

Nigdy nie powinieneś więc twierdzić (takie jest moje zdanie), że użycie większego kondensatora sprawi, że Twój układ będzie lepszy – a powszechna opinia mówi: “wstaw tam duży kondensator to unikniesz zakłóceń”. Użycie większych wartości pojemności kondensatorów ma sens w wielu układach, ale zawsze powinno iść w parze ze stosownym układem ograniczającym impulsy ładujące tę pojemność.

Jak ograniczyć prąd ładowania kondensatora?

Myślę, że pomysłów może być kilka, a nawet kilkanaście. Najprostszym rozwiązaniem byłoby włączenie (szeregowo) do układu rezystora. Taki zabieg zwiększyłby stałą czasową układu i kondensator ładowałby się wolniej, mniejszą wartością prądu. Wadą takiego rozwiązania jest to, że po naładowaniu kondensatora, przez ten rezystor cały czas będzie płynął prąd do obciążenia – mamy więc niechciane straty mocy. Takie rozwiązanie więc odrzucam.

Proponowanym przeze mnie rozwiązaniem jest zastosowanie tranzystora MOSFET z kanałem P oraz dodatkowego układu RC opóźniającego jego załączenie – jak na rysunku poniżej.

006 - ograniczenie prądu ładowania - schemat 2 - wejście zasilania
Rys. 5. Schemat układu z ogranicznikiem prądu ładowania kondensatora.

W przedstawionym układzie, po załączeniu zasilania, następuje ładowanie kondensatora C2 przez rezystor R3. W miarę zwiększania się napięcia na C2, jednocześnie zwiększa się napięcie pomiędzy bramką i źródłem tranzystora M1 – powodując jego stopniowe “otwieranie się”. W momencie kiedy tranzystor zaczyna się otwierać, niską wartością prądu zaczyna ładować się kondensator C1. Przeanalizuj poniższe przebiegi.

006 - ograniczenie prądu ładowania - symulacja 2.png
Rys. 6. Symulacja układu z ogranicznikiem prądu ładowania kondensatora (napięcie wejściowe – zielony, napięcie wyjściowe – niebieski, prąd ładowania C1 – czerwony).

Symulacja potwierdza, że przedstawiony układ ograniczył prąd ładowania kondensatora C1 do około 450 mA – to ponad 40 razy niższa wartość prądu!

Maksymalna wartość impulsu prądowego (szczyt impulsu) zależy tutaj od wartości elementów C2 oraz R3, gdyż to one decydują o szybkości otwierania się tranzystora M1. Rezystory R3 i R4 tworzą razem dzielnik napięciowy, który określa maksymalną (końcową) wartość napięcia pomiędzy bramką i źródłem tranzystora – warto sprawdzić w dokumentacji jaka jest maksymalna, dopuszczalna wartość tego napięcia dla wybranego przez Ciebie tranzystora, żeby nie uległ uszkodzeniu.

Po naładowaniu się kondensatora C1, tranzystor M1 jest całkowicie otwarty – straty mocy, które będą na nim występowały zależą od prądu pobieranego przez obciążenie oraz rezystancji tranzystora w pełnym otwarciu. Jeśli wybierzesz tranzystor o bardzo niskiej rezystancji (<50 mOhm) straty będą bardzo małe.

Przedstawiony układ ma jedną, rzucającą się w oczy, wadę. Porównaj rysunek 2, z rysunkiem 6. Ograniczenie prądowe wprowadza do układu opóźnienie w ustaleniu się napięcia wyjściowego. Czy jest to duży problem? To zależy czy potrzebujesz w swoim urządzeniu natychmiastowego załączania. W zdecydowanej większości przypadków, kilka milisekund przeznaczone na ustalenie się napięcia na wyjściu nie ma żadnego znaczenia.

Pozostaje sprawa doboru wartości elementów C2, R3 i R4. Czy jest na to prosty wzór? Nie. Ładowanie się pojemności C2 jest nielinowe – tak samo jak zależność prądu drenu tranzystora od napięcia pomiędzy bramką, a źródłem. Z tego powodu jedynym sposobem jaki mogę zaproponować jest symulacja i empiryczny dobór wartości elementów.

Zabezpieczenie przed przepływem prądu wstecznego

Powyższe rozważania dotyczyły sytuacji, w której napięcie jest załączane do układu. Wysoki impuls prądowy, ładujący pojemność na wejściu układu nie jest jednak wszystkim czego powinieneś się obawiać. W podobny sposób jak powyżej należy rozpatrywać sytuację, w której źródło zasilania (z jakichś przyczyn) zostało zwarte, lub nagle wyłączone.

Czy taka sytuacja jest w pełni bezpieczna dla Twojego urządzenia? Niezupełnie.

Niezależnie od tego czy rozpatrzymy przypadek układu z rysunku 1, czy z rysunku 5, to nagłe zwarcie lub wyłączenie zasilania spowoduje sytuację odwrotną do przedstawionej wcześniej – kondensator rozładuje się. Rozładowaniu temu będzie towarzyszył równie wysoki impuls prądowy. Różnica polega na tym, że prąd popłynie w drugą stronę – czyli od kondensatora do wejścia zasilania, które zostało zwarte.

Halo, halo! Stop!

Wcześniej przedstawiłem układ ograniczający prąd ładowania i nie będzie on działał również w drugą stronę – przy rozładowaniu?! Niestety nie. Powodem takiej sytuacji jest obecność diody w tranzystorze MOSFET, spolaryzowanej w kierunku od drenu do źródła – jest to wbudowana w obudowie tranzystora dioda zabezpieczająca.

Sprawdźmy więc co dzieje się w układzie podczas nagłego przerwania zasilania. Do poniższej symulacji zastosowany został układ z rysunku 5. Napięcie wejściowe zostaje odcięte/zwarte w 6 milisekundzie symulacji.

006 - ograniczenie prądu rozładowania - symulacja bez diody
Rys. 7. Symulacja zwarcia/wyłączenia wejścia zasilania (napięcie wejściowe – zielony, napięcie wyjściowe – niebieski, prąd płynący przez C1 – czerwony).

Po nagłym wyłączeniu zasilania lub jego zwarciu, kondensator C1 rozładowuje się poprzez diodę tranzystora M1 oraz zwarte wejście zasilania. Na wykresie jest to widoczne jako ujemny impuls prądowy, którego wartość jest niższa niż -18 A. Jest to więc tak samo duży problem jak przedstawione wcześniej ładowanie pojemności C1 przy załączeniu zasilania.

W tym przypadku rozwiązanie jest stosunkowo proste. Wystarczy dołączyć do układu diodę, która będzie blokowała przepływ prądu od kondensatora do wejścia układu.

006 - ograniczenie prądu rozładowania - schemat z diodą
Rys. 8. Schemat układu z ogranicznikiem prądu ładowania kondensatora oraz blokowaniem prądu wstecznego.

Zabieg taki ma jedną dużą wadę – podczas normalnej pracy układu, prąd płynie do obciążenia poprzez diodę, powodując powstanie na niej spadku napięcia. Na wyjściu otrzymujemy więc napięcie niższe o wartość spadku napięcia na przewodzącej diodzie. Do blokowania prądu wstecznego warto stosować diody Schottky’ego, które charakteryzują się niższą wartością tego napięcia.

006 - ograniczenie prądu rozładowania - symulacja z diodą
Rys. 9. Symulacja zwarcia/wyłączenia wejścia zasilania z blokowaniem prądu wstecznego.

Na symulacji widoczne są dwie rzeczy. Pierwsza – napięcie wyjściowe jest niższe i wynosi 4.68 V. Oznacza to, że na diodzie występuje spadek napięcia równy 0.32 V. Druga – po wyłączeniu napięcia zasilania, przez kondensator przepływa prąd równy -94 mA. Czy to znaczy, że układ z diodą nie działa poprawnie? Nie. Po wyłączeniu zasilania kondensator C1 rozładowuje się poprzez obciążenie układu – w tym przypadku jest to rezystor R1. Ponieważ napięcie początkowe (w momencie kiedy kondensator zaczyna rozładowywanie) wynosi 4.68 V, a obciążenie jest równe 50 Ohm, to z prawa Ohm’a można wyliczyć początkową wartość prądu rozładowania.

I_{C1_{DIS/MAX}} \approx \frac{4.68}{50} \approx 94 mA \tag{1}

Jeśli spadek napięcia na diodzie (oraz wydzielające się ciepło) jest nieakceptowalny, można zamiast niej zastosować scalone układy symulujące diody idealne – spadek napięcia będzie bliski zeru. Jest to jednak dodatkowy układ scalony i dodatkowy koszt.

Warto zauważyć, że dodana do układu dioda D2 spełnia jeszcze jedno zadanie – chroni układ przed sutkami podłączenia zasilania o odwróconej polaryzacji. Taki gratis!

Podsumowanie

Zabezpieczając wejście zasilania układu zapewniasz bezpieczeństwo nie tylko jemu, ale również urządzeniom podpiętym pod te samo źródło zasilania. Układy scalone obecne na płytce PCB mogą być warte setki lub tysiące złotych – każda kwota zainwestowana w ich ochronę ma sens.

Z całą pewnością temat zabezpieczania wejścia zasilania układu nie został wyczerpany. Powyższy schemat (rysunek 8) powinien zostać uzupełniony o zabezpieczenie przed przepływem prądu o zbyt dużej wartości oraz przed przepięciami. Nie jest to jednak celem tego artykułu. Jeśli chciałbyś dowiedzieć się więcej – z pewnością znajdziesz wiele cennych informacji na innych wspaniałych blogach, które bardzo polecam.

Jeśli jesteś zainteresowany tym tematem i chciałbyś, aby został on kontynuowany w kolejnych wpisach – napisz! 🙂