電子產(chǎn)品要正常工作,就離不開電源。像手機(jī)、智能手環(huán)這種消費(fèi)類電子,其充電接口都是標(biāo)準(zhǔn)的接插件,不存在接線的情況,更不會(huì)存在電源接反的情況。 但是,在工業(yè)、自動(dòng)化應(yīng)用中,有很多產(chǎn)品是需要手動(dòng)接線的,即使操作人員做事情再認(rèn)真,也難免會(huì)出錯(cuò)。如果把電源線接反了,可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品被燒掉。
那如果在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候,就考慮了電源防接反而設(shè)計(jì)了防接反電路是不是會(huì)方便很多呢?今天就來討論一下如何實(shí)現(xiàn)電源防接反,電源防接反的電路有哪些。
1.使用二極管防止電源接反
二極管就有單向?qū)щ姷奶匦裕诙O管的兩端加上合適的正向電壓后,二極管導(dǎo)通;而如果加上反向電壓后,二極管截止。利用二極管的這個(gè)特性可以實(shí)現(xiàn)電源的防接反電路,將二極管正向串聯(lián)在電路中即可。使用二極管搭建的電源防接反電路如圖2所示。
圖2- 二極管防反接電路 二極管防反接電路分析將二極管正向串聯(lián)在電路中,如果電源接線正確的話,PN節(jié)正偏使二極管導(dǎo)通,負(fù)載得電工作,二極管產(chǎn)生(0.7-3)V的電壓降。如果二極管反接的話,PN節(jié)處于反偏狀態(tài),電阻非常大,電路不通,從而保護(hù)了負(fù)載的安全。電路仿真電路仿真如圖3所示,左圖電源的接線是正確的,負(fù)載LED被點(diǎn)亮;右圖電源的接線反了,負(fù)載LED不工作。由此可見二極管可以實(shí)現(xiàn)電源防反接功能,電源接反后,電路不通,負(fù)載不工作,而不會(huì)把負(fù)載燒壞。
圖3 - 電路仿真二極管防反接電路的優(yōu)缺點(diǎn)分析該電路的優(yōu)點(diǎn)很明顯,電路簡單,實(shí)用性較強(qiáng),關(guān)鍵成本很低。但是卻存在幾個(gè)缺點(diǎn),如下: 缺點(diǎn)一,二極管具有正向電壓降,壓降范圍為(0.7-3)V,對(duì)于低電壓而言可能不適用,分壓后可能導(dǎo)致負(fù)載電壓不夠。 缺點(diǎn)二,二極管的耐壓很高,但是過電流能力有限,例如4007二極管的最大正向連續(xù)電流約為1A。
2.使用P-MOS防止電源接反
MOS管是一種壓控型的半導(dǎo)體器件,應(yīng)用廣泛,可以分為P-MOS和N-MOS,具有三個(gè)電極,分別為柵極G、漏極D和源極S。可以使用該器件來實(shí)現(xiàn)電源的防反接,使用P-MOS實(shí)現(xiàn)防反接的電路示意圖如圖4所示。
圖4 - PMOS防反接電路P-MOS防反接電路分析P-MOS的導(dǎo)通條件時(shí)柵極和源極之間的電壓VGS<0時(shí)導(dǎo)通,否則截止,利用P-MOS防電源反接時(shí),P-MOS接在高側(cè),即靠近電源正極一側(cè)。 ? 當(dāng)電源接線正確時(shí),假設(shè)電源電壓為U,柵極G為低電平,由于寄生二極管的原因,使得源極S的電位為U-0.7,所以VGS<0,P-MOS管導(dǎo)通,從而使負(fù)載得電,電路正常工作。 ? 當(dāng)電源反接時(shí),柵極G為高電平,VGS>0,所以P-MOS不導(dǎo)通,電路不工作。P-MOS防反接電路仿真仿真電路圖如圖5所示。左圖是電源接線正確的電路圖,發(fā)光二極管被點(diǎn)亮;右圖是電源接線錯(cuò)誤的電路圖,發(fā)光二極管不工作。
圖5- PMOS仿真電路 P-MOS防反接注意事項(xiàng)/優(yōu)缺點(diǎn)P-MOS要接在電源的正極一側(cè),并且要將寄生二極管正向串聯(lián)在電路中,其工作原理正是利用了二極管的單向?qū)щ娞匦裕@個(gè)應(yīng)用要和P-MOS的開關(guān)應(yīng)用區(qū)分開。 其優(yōu)點(diǎn)就是導(dǎo)通壓降小,因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通內(nèi)阻非常小,所以壓降非常小。3.使用N-MOS防止電源接反N-MOS防電源反接的電路和P-MOS的工作原理是一樣的,只不過N-MOS需要接在電源負(fù)極一側(cè),即低端。N-MOS防反接的電路示意圖如圖6所示。
圖6- NMOS實(shí)現(xiàn)電源防反接電路 N-MOS防反接電路分析N-MOS的導(dǎo)通條件時(shí)柵極和源極之間的電壓VGS>0時(shí)導(dǎo)通,否則截止,利用N-MOS防電源反接時(shí),N-MOS接在低側(cè),即靠近電源負(fù)極一側(cè)。 當(dāng)電源接線正確時(shí),假設(shè)電源電壓為U,柵極G為高電平U,由于寄生二極管的原因,使得源極S的電位為0.7,所以VGS>0,N-MOS管導(dǎo)通,從而使負(fù)載得電,電路正常工作。 當(dāng)電源反接時(shí),柵極G為低電平,VGS=0,所以N-MOS不導(dǎo)通,電路不工作。 N-MOS防反接電路仿真N-MOS仿真電路圖如圖7所示。左圖是接線正確的電路圖,右圖是接線錯(cuò)誤的電路圖。接線正確時(shí)負(fù)載工作,接線錯(cuò)誤時(shí)電路不通。
圖7 - NMOS仿真電路 N-MOS防反接注意事項(xiàng)/優(yōu)缺點(diǎn)NMOS需要接在電源的低側(cè),即靠近負(fù)極的一側(cè),其防止反接的原理與P-MOS防反接原理一致,寄生二極管也是正向串聯(lián)在電路中,NMOS導(dǎo)通后將寄生二極管短路掉。 其優(yōu)點(diǎn),因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通電阻非常小,只有幾個(gè)mΩ,所以壓降非常小。與P-MOS相比,同系列N-MOS的內(nèi)阻更小。4.使用整流橋實(shí)現(xiàn)電源接線的無極性除了防反接之外,還可以使用整流橋?qū)崿F(xiàn)電源的無極性,即電源正接、反接都可以,電路都可以正常工作。 整流橋是由四個(gè)二極管所構(gòu)成的電路,經(jīng)常用在交流轉(zhuǎn)直流的整流電路中,在交流的每個(gè)周期有兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通而另外兩個(gè)二極管截止,依次輪換。整流橋仿真電路整流橋所實(shí)現(xiàn)的仿真電路如圖8所示。從圖8可以看出,不管電源正接還是反接,負(fù)載LED都能發(fā)光,所以整流橋?qū)崿F(xiàn)了電源的無極性。
圖8 - 整流橋仿真電路 整流橋防反接電路分析四個(gè)二極管組成了整流橋,在不同極性下,只有兩個(gè)二極管導(dǎo)通工作,另外兩個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài),圖8也畫出了不同電源接法下,電流的方向,從圖中可以看出,只有對(duì)橋臂的兩個(gè)二極管導(dǎo)通,而另外兩個(gè)二極管截止。這也是整流電路的原理。 整流橋防反接電路優(yōu)缺點(diǎn)分析該電路不再對(duì)電源的極性有要求,實(shí)現(xiàn)了電源的任意接法,這時(shí)最大的優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是,因?yàn)槎O管的正向壓降,不適用于低電壓的電路,而且過電流能力較差。
5.電源防反接技術(shù)總結(jié)
上邊介紹的幾種方案都跟二極管有關(guān)系,都是利用了二極管的單向?qū)щ娞匦裕鞘芟抻诙O管的正向電流和正向?qū)▔航担贿m用于大電流應(yīng)用和電壓較低的應(yīng)用。
原文標(biāo)題:電源防反接電路的幾種實(shí)現(xiàn)方案
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