Содержание
Защита устройств от неправильной подачи полярности питания / Хабр
progchip666
Схемотехника *Электроника для начинающих
Туториал
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.
Теги:
- электроника для начинающих
- схемотехника
Хабы:
- Схемотехника
- Электроника для начинающих
Всего голосов 41: ↑41 и ↓0 +41
Просмотры
189K
Комментарии
71
Шульгин Олег Анатольевич
@progchip666
Разработка электронных устройств. ИП
Хабр Карьера
Skype
Комментарии
Комментарии 71
восстановление, возможные возможные последствия и полезные советы
Традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы занимают основную долю питающих 12-вольтных элементов в составе автомобильной техники. Опытные водители прекрасно знакомы с недостатками подобных АКБ и умеют без специального обследования определять момент, когда их можно нести в пункт приема на утилизацию. Так поступают пользователи, которым некогда тратить время на лишние манипуляции для получения максимальной выгоды из «убитого» блока питания. Тем не менее операция переполюсовки аккумулятора как восстановление его внутреннего энергетического потенциала хоть и в минимальной степени, но может принести некоторую выгоду.
Что такое переплюсовка АКБ?
Для понимания сущности переплюсовки безотносительно характера ее последствий с возможностью восстановительного эффекта следует разобраться в принципах данного явления. Начать следует с того, что каждая кислотная АКБ состоит из нескольких секций – пластин, выполняющих функции электродов. Одна группа пластин заряжена положительно, а вторая – отрицательно. Например, в тех же свинцовых аккумуляторах секции из свинца как такового имеют «минусовой заряд», а пластины на основе диоксида свинца заряжаются «плюсом». Собственно, нарушения в работе АКБ нередко происходят из-за неравномерности распределения зарядов, что связано с понижением напряжения в одной из групп электродов. Причем наибольшей нагрузке с более интенсивной потерей энергетического потенциала подвергаются именно диоксидовые положительно заряженные пластины. Очевидно, что переполюсовка аккумулятора с восстановлением емкости путем изменения полюсов может изменить ситуацию в лучшую сторону, но насколько это практически возможно в каждом конкретном случае – зависит от множества факторов. Например, специалисты отмечают, что АКБ с прочными свинцовыми пластинами иногда поддаются восстановлению с возвращением до 70% емкости.
Микроволновка перестала греть: возможные причины, способы…
Практически в каждом доме есть микроволновая печь, которая сегодня просто незаменима в разогреве…
Когда есть смысл производить переполюсовку?
Разумеется, как универсальный способ ремонта аккумулятора переполюсовка не может рассматриваться. Можно говорить о том, что пользователь от самой попытки «оживления» устройства ничего не теряет кроме времени и нервов, но есть случаи, когда положительный эффект в принципе будет невозможен. Например, попытки восстановления аккумулятора переполюсовкой ни к чему хорошему не приведут в следующих ситуациях:
- Если батарея окончательно вышла из строя в результате полного физического или химического разрушения. Рассыпание структуры электродов – явный знак, что от блока следует избавляться, причем как можно скорее.
- Корпус АКБ вздулся и разбух. Тоже нехороший знак, который свидетельствует о том, что и пытаться разбирать конструкцию не имеет смысла.
- Электролит сильно изменился в цвете – его бурый оттенок также указывает на невозможность восстановления.
- Замыкание пластин.
И все же типовые и некритические нарушения в рабочем процессе или потеря былых эксплуатационных качеств не исключают успеха при выполнении переполюсовки. Ее вполне можно применять к блокам, которые не берут заряд, быстро закипают, разряжаются за несколько минут и т. п.
Микроволновка перестала греть: возможные причины, способы…
Практически в каждом доме есть микроволновая печь, которая сегодня просто незаменима в разогреве…
Естественная переполюсовка
Изменение полюсов заряда может произойти без ведома пользователя в определенных условиях. Для этого в первую очередь требуется наличие разницы потенциалов между разными блоками электродов. В таких условиях одна секция будет утрачивать заряд быстрее и не исключено, что уровень емкости дойдет до нуля, в то время как «работа» второй секции продолжится. Именно в такой конфигурации возможна естественная переполюсовка аккумулятора автомобиля, когда один из зарядов начинает действовать в обратном направлении, заряжая соседний «нулевой» блок в противоположной последовательности. Изначально к подобным и уже неконтролируемым процессам приводят следующие факторы:
- Глубокий разряд АКБ.
- Разрушения в активной массе.
- Нарушения в соединениях блока.
Меры защиты АКБ от переполюсовки
Если нет цели создания условий для смены полюсов, то в обычном режиме эксплуатации вероятность такого явления будет достаточно мала. Соблюдение стандартных правил обслуживания АКБ снизит ее практически до нуля. Тем не менее, будет не лишним иметь представление об основных мерах профилактической защиты аккумулятора от переполюсовки:
Консольный кронштейн — разновидности
На сегодняшний день наличие плоского телевизора уже давно не является показателем роскоши. Более…
- Поддержание конструкции блока в исправном состоянии – корпус должен быть герметичным и чистым, что снизит риски саморазряда.
- Корректное подключение проводов к клеммам АКБ и зарядного устройства. Правильно организованная электрическая схема соединений практически исключает вероятность смены полюсов.
- Поддержание в нормальном состоянии электролита. Процесс сульфатации, в частности, опасен не только рисками переполюсовки, но и повышением опасности разгерметизации корпуса.
Технология самостоятельного выполнения переполюсовки
Операция достаточно простая и выполняется в следующей последовательности действий:
- Производится общая диагностика АКБ, в ходе которой замеряется плотность электролита, оценивается состояние электродов и определяется распределение полярностей. Принципиально важно выделить секции с глубоким разрядом.
- От ЗУ присоединяются провода, но в обратной последовательности относительно прежней схемы. Иными словами, клемма с «плюсом» соединяется с «минусом» и т. д. Что важно, речь идет о частичной переполюсовке автомобильного аккумулятора именно в отношении электродов с глубоким разрядом. Обычно операция выполняется с 1-2 секциями, а остальные исправные трогать не стоит.
- Линия с «плюсом» дополнительно обеспечивается устройством безопасного сопротивления – например, СПЗ на 50 кОм. Это позволит исключить вероятность короткого замыкания.
Особенности двойной переполюсовки
Если целью ставится избавление электродов от белого налета и последствий сильной сульфатации, то себя оправдает и двойная переполюсовка. Она избавит от внешних физико-химических процессов разрушения при смене полюсов с возвращением старой электрической конфигурации подключения. Выполняется двойная переполюсовка аккумулятора в той же последовательности. После изменения полярностей сразу необходимо повторить набор действий, но в другом порядке. Также стоит учитывать, что данная операция возлагает большую нагрузку на АКБ и особенно на электроды. Поэтому выполнять двойную переполюсовку рекомендуется только в отношении блоков с плотными, прочными и толстыми пластинами.
Положительный эффект переполюсовки
При успешном завершении процедуры в лучшем случае можно будет рассчитывать еще на 2-3 года эксплуатации блока, хоть и с минимальными энергетическим потенциалом. Если параллельно с переполюсовкой произвести замену электролита и грамотно выполнять перезаряд, то в первое время устройство может продемонстрировать и вовсе завидные показатели работоспособности. Другое дело, что и в этом случае восстановление аккумулятора от переполюсовки даст непродолжительный эффект. Возросшая мощность быстро вернется в прежнее состояние и в дальнейшем будет только понижаться.
Негативный эффект переполюсовки
Говорить о негативных факторах переполюсовки применительно к совершенно неработающей батарее сложно. Но в том и проблема, что эффект восстановления может иметь место только в случае, когда потенциал еще не утрачен полностью. То есть реанимировать блок можно другими способами, а последствия от переполюсовки аккумулятора могут выражаться в полном разрушении тонких пластин уже без всяких шансов на возвращение работоспособности. Самые обидные последствия в этом контексте происходят из-за естественной переполюсовки. Неправильное подключение тех же клемм у вполне работающей АКБ приведет к аналогичным процессам разрушения, но в более короткие сроки, так как без пользовательского контроля будут исключены обязательные условия предохранения устройства.
Заключение
Практика восстановления аккумуляторов в России оформилась не на пустой почве. В ее основе состоит мнение о том, что производители АКБ умышленно ввели понятие необслуживаемого источника питания, подталкивая потребителя к преждевременной покупке нового элемента. И все же на практике добиться заметного увеличения работоспособности устройства удается лишь в крайне редких случаях. Что касается конкретно восстановления аккумулятора переполюсовкой, то способ достаточно хлопотный и небезопасный с точки зрения рисков получения химических травм. Если же говорить о результате, то в лучшем случае придется рассчитывать на поддержание небольшого энергетического запаса в течение ограниченного промежутка времени, которое все-таки рекомендуется использовать на приобретение нового блока.
Смена полярности | Американская ассоциация гальванистов
•
Быстрые ссылки •
Поиск
Поиск не дал результатов
Страницы сайта
База знаний Dr. Galv
Галерея проектов
Нажмите ESC, чтобы выйти
Забыли пароль?
Дом »
База знаний »
Переполюсовка
Автор
Доктор Том Лэнгилл
На днях мне позвонили, и парень по телефону сказал, что кто-то сказал ему, что оцинкованную сталь нельзя использовать при температуре выше 140 F (60 C), потому что цинк меняет полярность и вызывает коррозию стали. Что это за эффект, и должен ли я говорить людям, чтобы они не использовали оцинкованную сталь в условиях высоких температур?
Это тот случай, когда вы берете одну ситуацию и обобщаете ее, чтобы сделать общее широкое утверждение, которое в конечном итоге не имеет смысла. Факты эффекта изменения полярности при горячем цинковании ограничивают возможность его возникновения очень конкретной ситуацией. Применение этих фактов к такой широкой категории, как все высокотемпературные среды, совершенно неверно. Это еще один пример дезинформации о горячем цинковании, который необходимо исправить.
Если мы рассмотрим факты об изменении полярности, мы можем легко исправить это ошибочное предположение, что во всех высокотемпературных средах происходит ускоренная коррозия цинкового покрытия. Эта ускоренная коррозия из-за смены полярности была впервые обнаружена, когда водонагреватели для жилых и коммерческих помещений вышли из строя преждевременно, когда они были оцинкованы горячим способом. Водонагреватели прослужили всего несколько лет, прежде чем в них появились утечки. Последующее расследование показало, что в цинковом покрытии образовались трещины, а нижележащий стальной материал полностью истощился под трещинами. Некоторые исследователи вернулись в лаборатории, чтобы попытаться воспроизвести этот эффект. Простой нагрев оцинкованных деталей до температуры горячей воды в нагревателе, от 140 до 180 F (от 60 до 82 C), не оказал влияния на цинковое покрытие. Когда детали были погружены в мягкую воду при тех же температурах, в цинковом покрытии появились трещины, и сталь пожертвовала собой, чтобы защитить цинк.
Дальнейшие исследования показали, что наличие или отсутствие определенных ионов сильно влияет на изменение полярности. Водные растворы, в которых нет растворенных ионов кислорода, не проявляют признаков изменения полярности. Присутствие бикарбонатов и нитратов в водном растворе повышает вероятность изменения защиты от коррозии цинка/стали. Потенциал цинка увеличивается в присутствии этих ионов, в то время как потенциал стали или железа остается неизменным. Это приводит к тому, что сталь становится анодной, а цинк — катодной, что вызывает коррозию стали для защиты цинка.
Другие ионы, такие как хлориды или сульфаты, будут оказывать несколько иное воздействие на поверхность цинкового покрытия. Потенциал цинка уменьшается в присутствии этих ионов, поэтому цинковое покрытие остается анодным по отношению к стали, и изменение полярности не происходит. Мягкие воды обычно содержат значительное количество растворенного кислорода и очень небольшое количество хлоридов и сульфатов. В жесткой воде больше хлоридов и сульфатов, так как они являются частью ионных солей, которые делают воду жесткой. В жесткой воде также есть бикарбонаты, поэтому есть некоторые компромиссы при использовании воды температурой от 140 до 180 F (от 60 до 82 C) в оцинкованной емкости. Повышение температуры изменяет время появления переполюсовки. Если температура водного раствора, который может вызвать изменение полярности, чуть выше 140 F (60 C) I, изменение полярности может занять месяц. Если температура близка к 180 F (82 C), переполюсовка может произойти через пару часов.
Таким образом, вместо того, чтобы возникать в любом высокотемпературном приложении, эффект изменения полярности должен иметь определенные условия, прежде чем он произойдет. Горячеоцинкованная деталь должна находиться в контакте с водным раствором, водный раствор должен содержать растворенный кислород, водный раствор также должен содержать некоторое количество ионов бикарбоната или нитрата, а температура раствора должна быть в диапазоне от 140 до 180 F (от 60 до 82 C). Только при наличии этих условий цинковое покрытие может испытать изменение полярности. Другие высокотемпературные среды вполне приемлемы для покрытий методом горячего цинкования.
© 2022 Американская ассоциация гальванистов. Материал, представленный здесь, был разработан, чтобы предоставить точную и достоверную информацию о горячеоцинкованной стали после изготовления. Этот материал предоставляет только общую информацию и не предназначен для замены компетентного профессионального изучения и проверки пригодности и применимости. Информация, представленная здесь, не предназначена для представления или гарантии со стороны AGA. Любой, кто использует эту информацию, берет на себя всю ответственность, вытекающую из такого использования.
Был ли этот ответ полезен?
ДА
|
НЕТ
Вы все еще ищете правильный ответ?
Спросите эксперта
Инверсия полярности в магнитном поле Земли
Перейти к содержимому
Опубликовано в Голос редакции
Исследования инверсий геомагнитной полярности вызвали одни из самых больших и интересных дебатов в сообществах палеомагнитной и более широкой геофизики твердой Земли за последние 25 лет.
по
Ф. Флориндо
Кажущиеся движения северного геомагнитного полюса зафиксированы в последовательностях лавовых потоков во время нескольких инверсий. Каждый цвет соответствует отдельной записи разворота. Также в центре планеты показано твердое внутреннее ядро (красное), окруженное проводящим жидким внешним ядром (оранжевым). Авторы и права: Valet and Fournier, 2016, doi:10.1002/2015RG000506
Естественное магнитное поле Земли создается сложными движениями расплавленных сплавов железа во внешнем ядре планеты на глубинах более 2,900 км и изменяется во временных масштабах от миллисекунд до миллионов лет. Через нерегулярные промежутки времени, длящиеся в среднем несколько сотен тысяч лет, происходит одно из самых замечательных явлений на Земле: магнитное поле Земли меняется на противоположное, и северный и южный магнитные полюса относительно быстро меняются местами. В течение короткого периода времени между двумя полярностями изменения геомагнитного поля могут магнитно фиксироваться отложениями и последовательностями лавовых потоков. Эти магнитные данные имеют ценность для палеомагнетиков при реконструкции прошлых геомагнитных полей и, в частности, для более точного ограничения структуры и геометрии переходного поля.
За последние 25 лет исследования инверсий геомагнитной полярности вызвали бурные дебаты в сообществах, занимающихся палеомагнитной и более широкой геофизикой твердой Земли. Некоторые из этих дебатов были одними из самых интересных в науках о Земле за этот период. Тем не менее в последние годы этой теме уделялось меньше внимания из-за широко распространенных трудностей и споров, касающихся надежности данных.
Недавняя статья, опубликованная в Reviews of Geophysics Жан-Пьером Вале и Александром Фурнье из Institut de Physique du Globe de Paris, дает зрелое размышление о проблемах, с которыми сталкиваются в таких исследованиях, с критическим обзором основных полученных характеристик инверсии. из палеомагнитных записей и анализа некоторых из этих особенностей в свете численного моделирования. Помимо критического обзора прошлой работы, этот вклад, несомненно, послужит ценным направлением для будущих исследований по этому вопросу. AGU попросил авторов статьи выделить важные результаты, полученные в результате их исследования, и некоторые важные вопросы, которые остаются нерешенными.
Почему эта тема актуальна и важна? Какие последние достижения, в частности, ведут к новому пониманию или синтезу?
Инверсия — одна из самых загадочных характеристик магнитного поля Земли, поэтому она вызывает много вопросов. Как часто происходят развороты и как долго они длятся? Какова морфология поля, когда оно переворачивается? Поле ослабевает или коллапсирует, а затем восстанавливается с противоположной полярностью? Каковы возможные последствия инверсий для биосферы? Когда должен произойти следующий разворот? Инверсии — относительно редкие события, если сравнить их продолжительность с длительностью интервалов полярности. Уникальное наблюдательное свидетельство поведения поля во время смены полярности получено из записей палеомагнитного поля. В течение почти пятидесяти лет палеомагнетики пытались собрать информацию, изучая последовательности лавовых потоков и отложений, которые приобрели свою намагниченность во время своего формирования и сохранили этот сигнал в течение геологического времени. Однако инверсии происходят самое большее в течение нескольких тысяч лет, и получение подробной информации за этот короткий переходный период между двумя полярностями представляет собой реальную проблему. На самом деле совершенного магнитного регистратора не существует, большинство отложений характеризуются низким временным разрешением, а вулканизм носит спорадический характер с неравномерно распределенными во времени лавовыми потоками. Следовательно, результаты могут быть искажены артефактами, которые не всегда полностью понятны, поэтому многие наблюдения остаются спорными. Таким образом, было необходимо расшифровать палеомагнитные записи, которые были собраны по всему миру, путем критического обзора доминирующих геомагнитных особенностей. Недавний прогресс в исследованиях геомагнитных инверсий также связан с численным моделированием, которое дало новое понимание механизма геодинамо и его инверсий. Несмотря на то, что они все еще далеки от земного динамо, числовые модели задокументировали сотни инверсий полярности. Во многих случаях числовые характеристики аналогичны палеомагнитным наблюдениям, что дает нам возможность сравнивать и анализировать данные и моделирование вместе.
Каковы последствия для более широкого понимания процессов на Земле?
Структура инверсии геомагнитной полярности остается в значительной степени нерешенной. Геомагнитное поле поддерживается быстрыми движениями проводящей жидкости, богатой железом, во внешнем ядре Земли. Эта жидкость движется сложным образом в результате конвекции внутри ядра. В настоящее время существует общее мнение, что инверсии происходят без внешнего воздействия и, следовательно, могут рассматриваться как неотъемлемое свойство динамо-машины Земли. Поэтому определение структуры и процессов, связанных с инверсиями геомагнитного поля, необходимо для полного понимания процессов геодинамо. Типичные временные рамки, которые характеризуют инверсию полярности, ограничивают динамические временные шкалы жидкости и, следовательно, наши знания о земном ядре. Инверсии также говорят нам о том, как земная система реагирует на экстремальные глобальные изменения магнитного поля Земли.
Каковы основные нерешенные или нерешенные вопросы и где необходимы дополнительные данные или усилия по моделированию?
Анализ базы данных показывает, что общая напряженность поля в любой точке Земли сейчас может составлять не более десятой части его силы. Развороты, кажется, происходят в несколько фаз с предвестником и отскоком. Мы также узнали, что геометрия поля во время перехода намного сложнее, когда несколько полюсов блуждают по поверхности земли, и поэтому ее можно описать как многополярное поле. Однако очень трудно получить хорошее описание геометрии поля (квадруполярное, октополярное и т. д.) и описать его эволюцию во времени. Для этого необходимо получить много подробных записей одного и того же инверсии (последняя является лучшим кандидатом) с хорошим географическим охватом, включая южное полушарие и полярные регионы. Осадочные записи подходят только для достижения этой цели, но большинство записей, собранных из глубоководных отложений, не обеспечивают адекватного разрешения, чтобы разгадать морфологию поля, ограниченную очень быстро меняющейся природой недипольного поля, которое определяет переход между двумя полярностями. . Будущие исследования должны будут опираться на очень крошечные образцы, требующие новых технологий, и на последовательности потоков лавы, которые редки и прерывисты. Другая цель состоит в том, чтобы дополнительно ограничить периоды, предшествующие и следующие за изменением полярности, чтобы лучше понять процессы, ведущие к их возникновению. Особый интерес представляет эволюция напряженности поля и, в частности, фазы уменьшения и восстановления до и после каждого обращения. Подробные наборы данных задокументируют, как мы переключаемся со стабильного диполярного динамо на реверсивный режим. Помимо многообещающих результатов, полученных благодаря записям относительной палеонапряженности в отложениях с высоким разрешением, изменения в производстве космогенных изотопов, таких как бериллий-10 с его длительным периодом полураспада 1,4 млн лет, в принципе обеспечивают еще одну косвенную оценку изменений геомагнитной напряженности во времени. 10 Скорость образования Be ограничена проникновением космических частиц внутрь магнитосферы и, следовательно, зависит от напряженности магнитного поля. Большие пики скорости образования 10 Ве ожидаются в периоды слабых напряженностей геомагнитного поля, поэтому значительное увеличение образования 10 Ве наблюдается во время геомагнитных инверсий.
За последние десять лет наблюдалось конструктивное взаимодействие между сообществами, занимающимися наблюдением и моделированием. Инверсии, создаваемые числовыми динамо-машинами, которые имитируют более похожие на Землю условия, будут продолжаться по мере увеличения вычислительной мощности.