Как предотвратить переворот батареи?

Пока это система с батарейным питанием, эта проблема существовала всегда: вы по ошибке загружаете батарею, меняете полярность положительного и отрицательного полюсов и генерируете событие обратной полярности. Система временно вышла из строя или постоянно повреждена.

Пользовательские батареи, разработанные в соответствии с системой, которой они оснащены, чтобы помочь свести к минимуму вероятность неправильной установки и обратной полярности, но это проверенные и надежные готовые к использованию устройства, такие как батареи AAA, AA, C и D и даже CR123, CR2 , и литиевые батареи таблеточного типа также подвержены выходу из строя.

В прошлом конструкторы использовали механические конструкции, чтобы избежать электрического контакта с клеммами батареи (если батарея не была вставлена должным образом). Но механические решения далеки от совершенства. Обычно они требуют специальной обработки, потому что пружинные контакты требуют хорошо контролируемых допусков механических компонентов для обеспечения хорошего контакта, когда батарея вставлена правильно, но не вставлена должным образом и не находится в контакте. Эти узкие допуски могут вызвать проблемы с долговременной стабильностью, поскольку пружины и контакты, которые необходимо использовать, могут погнуться или выйти из строя. Даже при нормальном использовании, повторяющиеся нормальные вставки могут вызвать усталость контактов и со временем снизить надежность.

Но, несмотря на эти ограничения, механические решения существовали всегда, потому что они - единственное практическое решение, которое проектировщики могут использовать для предотвращения неправильной установки батареи. Электрические решения, разработанные для предотвращения событий обратной полярности, вызванных батареями с перевернутой фазой, были противоречивыми.

Из-за падения напряжения во время нормальной работы обычно не рекомендуется использовать последовательный диод. Также не рекомендуется использовать настройку заземления диода, потому что событие обратной полярности может привести к опасной длительной разрядке аккумулятора и перегреву диода.

Дискретные полевые МОП-транзисторы требуют сложной структуры и не могут быть оптимизированы или специально разработаны для предотвращения обратной полярности. Критические спецификации для оценки производительности во время событий обратной полярности могут быть потеряны, и это может привести к тому, что проектировщикам придется получать оценки на основе характеристик производительности, указанных в паспорте данных, и угадывать безопасные периоды рабочего времени, что вызывает беспокойство. Более того, в зависимости от того, как применяются полевые МОП-транзисторы, для них может потребоваться контроллер или другая дорогостоящая функция.

Многофункциональные ИС иногда оснащены схемами, предотвращающими обратную полярность, что обычно значительно усложняет схему, поскольку они могут работать в среде с положительным смещением, а затем работать в режиме обратной полярности или нет. Следовательно, многофункциональные ИС требуют огромных затрат на производительность и / или затраты. Типичные реализации имеют относительно ограниченную функцию обратного смещения (-2 В или -6 В) из-за компромисса между стоимостью и производительностью.

Специальное устройство защиты от обратной полярности - эффективный способ предотвратить ошибочную установку батареи.

Однако в последнее время появление специализированных устройств защиты от обратной полярности предоставило разработчикам более жизнеспособные электрические варианты. Специальные устройства, такие как предлагаемые Fairchild, представляют собой один из наиболее экономичных и эффективных методов предотвращения обратной полярности и являются отличным выбором для систем с батарейным питанием.

Эта простая установка обеспечивает непрерывную и надежную защиту. Конструкция требует минимального пространства на печатной плате, сводит к минимуму потери напряжения и быстро и эффективно реагирует на условия обратного смещения.

Общая стоимость тоже хороша. Серийные диоды Шоттки обычно дешевле, чем специализированные устройства защиты от обратной полярности, но как только рабочий ток начинает расти, общая стоимость, основанная на методе Шоттки, начинает расти. С точки зрения рентабельности, специализированные устройства защиты от обратной полярности, вероятно, будут наиболее привлекательным электронным методом.

Люди будут продолжать делать ошибки с аккумулятором, но способ предотвращения мелких аварий, вероятно, изменится. После рассмотрения всего диапазона специализированные устройства защиты от обратной полярности могут со временем полностью заменить сложные механические решения.

Причины образования обратной полярности и меры, которые можно предпринять

Никто не хочет, чтобы их система вышла из строя или даже более серьезного пожара. Однако это может произойти, если разрешить нарушение обратной полярности.

Обратная полярность является результатом установившегося обратного смещения или отрицательного переходного процесса. Это опасное электрическое состояние, которое трудно предотвратить после поставки системы.

Риск обратной полярности представляет собой реальную угрозу для множества распространенных приложений, включая мобильную электронику, системы с батарейным питанием, устройства, подключенные к автомобильным источникам питания, игрушки с питанием от постоянного тока, изделия с разъемами типа «цилиндрический разъем» или любое тепло, которое может подвергаться воздействию отрицательного напряжения. в или индуктивных переходных устройствах постоянного тока. Системы, поддерживающие подключение по USB и / или зарядку по USB, особенно восприимчивы.

Вот некоторые из наиболее распространенных причин обратной полярности:

Используйте послепродажное зарядное устройство или блок питания

Рынок зарядных устройств сторонних производителей растет, но не все зарядные устройства имеют защиту от обратной полярности. В некоторых случаях зарядное устройство имеет обратные электрические контакты или полярность может быть установлена пользователем, что оставляет место для ошибок.

Использование функции «горячего подключения» USB

Возможность легко подключать или отключать мобильные устройства, когда шина находится в состоянии питания, означает, что операции «горячей замены» увеличиваются, как и величина переходных процессов горячей замены. Эти индуктивные переходные процессы переводят шину в состояние обратной полярности. Хотя время этих колебаний часто невелико, их величина велика. Колебания напряжения на шине превышают ± 20 В во время операции «горячей замены». Этот переходный процесс может повлиять на отключенное устройство и другие устройства на шине напряжения. Эта проблема только усугубляется, когда ток зарядки увеличивается.

Используйте батарею, которая вставлена неправильно

Система с батарейным питанием может работать со сбоями, потому что батарея вставлена неправильно, а ее положительная и отрицательная клеммы поменяны местами. Это особенно верно для батарей типа AAA, AA, C и D или устройств с традиционными форм-факторами, таких как CR123, CR2 или литиевые батарейки-кнопки. Если батарея вставлена правильно, механическое решение предотвращает электрический контакт с клеммами батареи, но эти решения требуют индивидуального формования и могут выдерживать контактную усталость с течением времени.

Использование дюбелей в развивающихся странах

В мире также есть места, где инфраструктура электроснабжения имеет меньше требований к защите, поэтому источник питания может передавать большие переходные напряжения по линии. Внутренняя проводка усугубляет ситуацию. В прошлом традиционные лампы накаливания помогали поглощать и подавлять переходную энергию в линии электропередач, но новые типы продукции, такие как светодиоды и КЛЛ, не обладали такими же характеристиками подавления. Энергосберегающая работа за счет перехода на светодиоды и КЛЛ может создать проблемы, с которыми никогда не сталкивались.

Вставьте устройство в блок питания автомобиля (или самолета, поезда и т. Д.)

Во многих случаях адаптеры питания для мощности трафика включают защиту от обратной полярности, но есть исключения, особенно в недорогих альтернативах. Ничего не подозревающий пользователь, просто вставив устройство в гнездо для прикуривателя в автомобиле, может вызвать событие обратной полярности, поскольку он не понимает, что гнездо для прикуривателя может вызвать сбой устройства.

Поскольку существует слишком много способов вызвать событие обратной полярности, разработчик должен сделать все возможное, чтобы предотвратить обратную полярность, прежде чем система покинет завод, чтобы избежать повреждений.

Оптимальный метод защиты от обратной полярности в системах менее 100 мА

Слаботочные системы - системы с рабочими токами ниже 100 мА или 200 мА - охватывают широкий спектр приложений, от систем безопасности и пожарной сигнализации до систем автоматизации зданий, сетей оповещения и передачи данных.

Это включает в себя множество различных рабочих сред, и дизайнеры не всегда могут предсказать, где их системы будут использоваться. В зависимости от ситуации система может подвергаться воздействию плохих электрических условий, таких как установившееся обратное смещение или отрицательные переходные процессы, которые могут вызвать события обратной полярности и повредить систему.

Результат может быть таким же простым, как электрическая неисправность, но если ситуация будет серьезной, это может привести к пожару. Поэтому разработчики нередко добавляют схемы для предотвращения негативных эффектов обратной полярности.

Есть несколько способов сделать это, но для слаботочных приложений эффективность обычно не является проблемой. Поскольку система может выдерживать потребление энергии и падение рабочего напряжения связано с каждым методом, для достижения цели можно использовать два простых метода: последовательный PN или диод Шоттки.

Серия PN диод

Если конструкция допускает большое последовательное падение напряжения (± 1 В) или возможен высокий обратный переходный процесс (> 200 В), то хорошим выбором будет использование последовательного PN-диода. На рис. 2 представлен пример конструкции. Это простое и недорогое решение, обеспечивающее быструю блокировку, возможность сброса и высокое напряжение пробоя.

Этот диод потребляет наименьшее количество энергии и, следовательно, требует меньше радиаторов и дешевле. Пока устройство не нагревается во время нормальной работы или возможных неисправностей, система будет работать правильно.

Но даже в этом случае решение подходит не для каждого дизайна. Преимущество в стоимости скоро исчезнет по мере увеличения рабочего тока. Более того, при более высоких токах, чем больше потребляемая мощность, тем дороже конечный требуемый диод, что требует более теплопроводящего корпуса и конструкции радиатора.

Кроме того, в системах с низким напряжением ( ≤ 5 В) выпадение диодов может потребовать дополнительных цепей повышения напряжения ниже по потоку, что делает методы, которые в противном случае должны были бы быть дешевыми, на самом деле дорогими.

Поэтому обязательно помните об этом, прежде чем использовать метод PN-диода.

Диод Шоттки серии

Аналогичный, но более широко используемый метод заключается в использовании последовательного диода Шоттки вместо последовательного PN-диода. Это падение напряжения немного ниже (± 0,6 В), и конструкция потребляет меньше энергии.

Более низкие падения напряжения снижают требования к тепловому управлению, связанные с традиционными PN-диодами, что может привести к уменьшению размера и стоимости корпусов.

Тем не менее, необходимо соблюдать осторожность, потому что перепад давления может быть слишком высоким для многих приложений. Более того, хотя рабочий диапазон диодов Шоттки шире, чем у серийных диодов PN, наилучшим применением этого метода все еще является использование токов ниже 200 мА и более высоких напряжений (> 5 В).

В заключении

Независимо от того, какой метод используется, необходимо учитывать два основных аспекта: падение напряжения и энергопотребление. Предполагая, что оба параметра находятся в допустимых пределах, оба метода могут эффективно защитить слаботочные системы от повреждений, которые могут быть вызваны событиями обратной полярности при низких затратах. Если падение напряжения или рассеяние мощности являются проблемой, рассмотрите активное решение, такое как устройство FR Fairchild.

Страница содержит содержимое машинного перевода.