Inferno #05
30 апреля 2004
  Железо  

Ликбез - Как работает защита элементов цепи.


Аппаратное обеспечениеОбучение и справочные материалыОсновы электроники и радиотехники

        Еще подробнее
            Как работает защита.
 

   Для тех кто не знает, но хочет знать...
Нижеприведённая длиииинная цепочка рассуж- 
дений  разжёвана процентов на 80 и перева- 
рена  процентов на 50. Приятного вам аппе- 
тита! Глотайте... 
 

                 Про диод.

   Диод пропускает ток,если к аноду прило-
жен больший  потенциал, чем к катоду, т.е.
если у анода плюс по отношению к катоду, у
которого  минус (по отношению к аноду). Но
это ещё не всё!Диод не идеален,и оставляет
на себе часть напряжения - потери, оно не-
обходимо  для открывания диода и пропуска-
ния тока.Потери у кремниевых диодов (около
0.7В) больше, чем у германиевых (около 0.3 
В ). Потери растут с повышением тока через 
диод, и у германиевых диодов потери растут
более линейно (и сильнее), поэтому при не-
котором  относительно  большом токе потери
обоих типов сравниваются.Т.е.при малом то-
ке потери на германиевом диоде меньше, чем
на кремниевом. Если к диоду приложено нап-
ряжение меньше, чем напряжение открывания,
он не будет пропускать ток, разве что нич-
тожно малый. Т.е.если вы оставите кремние-
вому диоду всего полвольта на потери, хрен
он вам откроется-пропустит-ток-нормальной-
величины.Если интересно - откройте учебник
физики  старших  классов школы, там должна
быть характеристика диода:зависимость тока
через  диод от напряжения на нём (или нао-
борот).
 

               Потенциалы.

   Самый  высокий  потенциал - "абсолютный
плюс" - это +12В  питания (кроме блока пи-
тания).Самый низкий - "абсолютный минус" -
это общий провод GND, общий минус 5 и 12ти
вольт питания. Тогда что такое +5В? - плюс
или  минус? Относительно  12В  это минус -
т.к.меньший потенциал ( 5<12 ),относитель-
но общего провода (GND) это плюс - т.к.бо-
льший потенциал ( 5>0 ).Что такое ножка 40
контроллера КР1818ВГ93? При отсутствии то-
ка это 0В, т.е. GND. При наличии  тока это
некоторый положительный потенциал, пропор-
циональный току.Если учесть,что ток возра-
стает от значения 0, то в исходном состоя-
нии ножка 40 -"абсолютный минус". На самом
деле  на ней уже может быть некоторое нап-
ряжение от сигналов,или питания 5В, т.е.от
внутренних  электронных связей микросхемы.
Аналогичным  свойством  обладают  и другие
потребители +12В, например дисковод и уси-
литель  звука. Они тоже обладают начальным
0-вым  потенциалом, который  при включении
питания  растет  под  действием тока блока
питания.
   Согласно  принятому принципу, ток течёт
от более  высокого потенциала к более низ-
кому (принято  для удобства, на самом деле
определяется  видом  носителей). Течёт при
разности потенциалов, при равенстве потен-
циалов тока нет. Направление тока от плюса
к  минусу  заложено  в обозначении диода и
биполярных  транзисторов. Треугольный анод
диода образует стрелку,показывая направле-
ние,в котором диод пропускает ток при пра-
вильно приложенных к нему потенциалах.
 

             Мысли в кучу...

   На схемах верхний диод включен в прямом
направлении,его анод у самого высокого по-
тенциала,а катод у более низкого - а имен-
но у ножки 40.
   При нормальном питании,после включения,
напряжение  у анода возрастает, а у катода
оказывается 0-ой - отрицательный потенциал
ножки  40. Такая  разность потенциалов от-
крывает верхний диод,и он пропускает ток к
ножке 40. Потенциал на этой ножке начинает
возрастать  под действием тока через диод,
но  при  этом  потенциал ножки 40 - катода
всегда будет меньше,чем потенциал +12В пи-
тания - анода,и,соответственно,будет поло-
жительная разность потенциалов,необходимая
для открывания верхнего диода.По сути диод
не может пропустить такой большой ток, что
напряжение  на  его  катоде станет слишком
близким к напряжению на его аноде,и разни-
ца  их будет меньше необходимой для самого
диода - его открывания.Диод не дурак,чтобы
открыться и при этом не оставить себе нап-
ряжения - и  самого  себя закрыть. Поэтому
устанавливается равновесие: падение напря-
жения  на  диоде открывает диод настолько,
чтобы ток через него давал такой потенциал
ножки  40, разность  напряжения  питания с
которым давала бы необходимое падение нап-
ряжение на диоде - потери.
   При этом второй диод будет закрыт, т.к.
на  его  катоде  будет высокий (около 12В)
потенциал  ножки  40, а  на аноде (ниже по
схеме) более низкий потенциал питания +5В.
Это соответствует обратному включению дио-
да, и он не пропускает ток, кроме ничтожно
малого тока утечки.Можно рассмотреть ситу-
ацию  иначе. Ножка  40 по схеме стоит выше
+5В, и  при  наличии +12В обладает бОльшим 
потенциалом. Согласно  принятому принципу,
ток  идет от большего потенциала к меньше-
му, в нашем случае сверху вниз,а треуголь-
ник нижнего  диода указывает снизу вверх -
неверное включение нижнего диода,он закрыт
и ток не пропустит (верхний диод указывает
сверху  вниз - что соответствует положите-
льной  разности потенциалов (от высокого к
низкому, больший  потенциал  минус меньший
даст положительную разность).
   Теперь  представим, что напряжение +12В
исчезло, или замкнулось, в общем,стало 0В.
Представьте, что  схему  перевернули вверх
ногами (диоды поменяются местами), а вмес-
то +12В следует представить надпись или
GND - теперь это "абсолютный минус". Неко- 
торое  время (из-за паразитной емкости) на
ножке 40  будет высокий потенциал, который
начнет падать. Т.к. анод  бывшего верхнего
диода будет в меньшем потенциале, а катод,
из-за  паразитной емкости,- в большем, что
даёт отрицательную разность потенциалов. И
обратное влючение диода: он закроется и не
будет  пропускать ток. Напряжение на ножке
40 будет падать и в один прекрасный момент 
окажется меньше +5В. Бывший нижний диод (в
нашем  перевёрнутом представлении он верх-
ний) окажется в прямом  включении, т.к. на
его  аноде  будет бОльший потенциал (+5В),
чем  на  катоде - ножка 40. Он откроется и
пропустит ток 5-вольтового источника пита-
ния на ножку 40, вследствии чего её потен-
циал перестанет падать,и наступит равнове-
сие  потерь  напряжения на диоде, согласно
описаному  выше  равновесию при нормальном
питании.
   Представим теперь,что питание +12В сно-
ва  появилось - вернемся  к неперевернутой
схеме,- тогда верхний диод  будет открыт и
будет  поднимать  потенциал  ножки  40  до
+12В. А нижний диод закроется, т.к. напря- 
жение на его катоде - ножке 40 - будет рa-
сти,а на аноде (+5В питания) не изменится,
в итоге разность потенциалов (анод +5В вы-
честь  катод +12В ) будет отрицательной, и
это обратное напряжение закроет диод.

   Описаные выше процессы происходят почти
мгновенно и растянуты для понимания.Возмо-
жно, что  в вашем блоке питания +12В будет
возрастать  медленней, чем  плюс 5В, тогда
процесс  включения  будет  происходить  по
аварийному  сценарию. Схема  как  бы будет
перевернута  с  самого начала, и откроется
"5-вольтовый" диод, подняв потенциал ножки
40 до аварийного - около - напряжения,а 
по мере нарастания +12В схема "перевернёт-
ся" в  нормальное  состояние, и произойдёт
процесс, описаный  выше. Но даже при таком
питании это займёт доли секунды,и сам ком-
пьютер будет находится на стадии сброса, а
к моменту  работы  с диском  питание будет
нормальным. Такое возможно,если у вас комп
- отдельное 5-вольтовое устройство с внут-
ренним  формирователем  напряжения  5->12В
специально  для  контроллера (а дисковод -
внешнее  устройство, питается отдельно). В
этом случае схема защиты обязательна, т.к.
преобразователь - относительно сложное ус-
тройство и может отказать.

   Ну  а что будет, если +12В упадет не до
0В? Схема  не "перевернётся", как  описано 
выше. В этом случае всё зависит от соотно-
шения потенциалов напряжения питания и по-
тери на диодах. Поскольку потенциал свобо-
дной 40 ножки можно считать 0-вым,либо от-
рицательным (в неё всегда  стекает ток пи-
тания от некоего - положительного источни-
ка  -  любого  приложенного положительного
потенциала),тогда тот источник напряжения,
который будет больше, и откроет свой диод.
В  случае  равенства  напряжений откроется
тот диод, падение на котором будет меньше.
   Если  плавно снижать напряжение питания
+12В, то  примерно при (зависит от типа 
диодов и разброса их параметров) можно на-
йти такое соотношение напряжений,когда оба
диода будут открыты, и ток в сторону ножки
40 будет суммой токов через оба диода. Как 
бы  там  ни было с нарушением +12В - глав-
ное, что контроллер не останется без пита-
ния, т.к.будет питаться либо с одного,либо
с обоих источников сразу.

   Теперь представим,что исчезло 5В, а 12В
осталось. Это не опасно. 12В - вспомогате-
льное питание,оно смещает каскады,работаю-
щие  в цепи 5В, и не в состоянии повредить
чип.Это управляющее напряжение,а не комму-
тируемое. Что касается схем защиты, то си-
туация  с нормальным питанием не изменится
при наличии 12 и отсутствии 5В, т.к.нижний
диод останется закрытым,ещё более низким -
0-вым потенцалом,а верхний по-прежнему бу-
дет открыт.Если же после пяти вольт исчез-
нет ещё и 12В, получится классическое вык-
люченное состояние компа.

   А что  если после пропадания +12В будет
падать и +5В? Это,наверно,самый неприятный
случай. Поскольку оставшееся - - напря-
жение  через нижний диод защищает микруху.
При  его  снижении работа микросхемы будет
всё больше нарушаться. Но каскады контрол-
лера  питаются теми же вольтами - кото-
рые снижаются (мы рассматриваем не обрыв в
цепи схемы защиты,а общее снижение питания
компа).Известно,что ток через все транзис-
торы отчасти пропорционален приложенному к
ним напряжению.А у МОП транзисторов напря-
жение питания,приложенное к затвору,задаёт
ток  в открытом  состаянии, и при снижении
основного питания неконтролируемый ток бу-
дет снижаться.Но поскольку вспомогательное
питание будет падать,нарушение режимов бу-
дет возрастать, и неконтролируемый ток от-
части тоже.В итоге,произведение напряжения
на ток дает мощность,которая,при исправной
схеме  защиты, отсутствии  +12В и снижении
+5В, будет  мало изменяться (скорее всего, 
слабо падать),и это не приведет к перегре-
ву  контроллера. А  при снижении основного
питания ниже 2-3В ток потребления контрол-
лера резко упадёт,а перегрев снизится, так
как полевые  транзисторы  любой структуры:
1) нормально работают при достаточно боль- 
шом (номинальном в данном случае) напряже- 
нии, 2) при меньшем напряжении сказывается 
насыщение (гораздо большее, чем у биполяр- 
ных транзисторов) и омическая  область ра- 
боты - транзисторы начинают вести себя как 
резисторы. 

   Вот, пожалуй,и рассмотрели все ситуации
защиты,осталось подвести итог.Для чего ну-
жен  нижний  по схеме диод? Нам необходимо
питать  контроллер  в  отсутствие  +12В от
другого источника - +5В. Но замыкать ножку
40 на +5В нельзя, т.к. нормальное  питание 
+12В  в этом случае замкнётся на +5В и мо- 
жет сжечь комп либо блок питания.Можно,ко-
нечно, влепить резистор, но он будет жрать
большой ток при нормальном питании.Ток бу-
дет  стекать  через  резистор от источника
+12В к +5. Потери энергии на резисторе,ве- 
рхний диод с учётом потерь надо более мощ-
ный, блок питания более сильный,- в общем,
одни  потери. Диод  подходит идеально - он
выполняет роль элетронного коммутатора, не
просаживает источник +12В на +5В и автома-
тически  подпитывает контроллер при пропа-
дании +12В. А для чего тогда нужен верхний
диод? Всякое может случится,самое худшее -
это замыкание +12В. Если верхнего диода не
будет,и произойдет замыкание, то нижний не
спасёт,вернее,всё зависит от мощности ниж-
него диода.Мощный диод просадит +5В на за-
мыкание, и  либо сгорит место замыкания, и
напряжение хотя бы частично восстановится,
либо  сдохнет  блок  питания или сработает
какая-то  его защита с отключением. Слабый
диод  сдохнет сам (не выдержит ток замыка-
ния) и затем либо сдохнет контроллер, если
диод разорвал цепь,либо,в случае замыкания
в диоде, повторится ситуация с мощным дио-
дом. Но даже если замыкания не будет,диоду
придётся питать не только контроллер, но и
всё, что  висит  на  линии +12В, и если он
слабый,для него это может быть равносильно
замыканию (см. выше). Верхний  диод нужен,
чтобы ток аварийного питания не отходил на
дисковод  и усилитель, к примеру (нагрузка
питания  12В ), а питал только контроллер.
Нижний диод нужен,чтобы основной ток пита-
ния от +12В не стекал  в нагрузку +5В, пе-
ренапрягая  (повышая) её  питание с +5В до
+12В. 
 

     Некоторая информация для абсолютных
     дураков, и/или конкретных лентяев:
 

   1. Поставиш только верхний диод (нижний
замкнёш) - в  лучшем  случае  спалиш  диод
(если он маломощный), в худшем (мощный ди-
од), спалиш комп и блок питания.... и дис-
ковод,и АУ-шник ... всю ту дребедень,какую
 понавесил... Вот такой вот ОБЛАМИСЬ!
   2. Поставиш только нижний (верхний зам-
кнёш) - в лучшем случае(аварийное питание)
ВГ-шка не сгорит,в худшем - пробьет диод,и
далее смотри худший случай ситуации 1.

   Так что обломайтесь оптимизаторы, проще
этих  двух деталей ничего уже не сделаешь.
Однако...извращенству нет предела? Похоже,
могут найтись такие, шибко-умные гении,ко-
торые (вполне  логично) узреют в двух дио-
дах транзистор p-n-p структуры...
   Я специально не скажу,какие выводы тра-
нзистора каким выводам диодов соответству-
ют (чтобы не провоцировать лентяев). А из-
вращенцам скажу, что когда-то очень давно,
когда я начал познавать электронику,я про-
бовал  сделать  транзистор  из двух диодов
(тогда был дефицит деталей),и если вам это
действительно  удавалось, могу вас поздра-
вить!, но вы не от мира сего...
   Если вы влепите транзистор, то в лучшем
случае поднимите энергопотребление компа,а
в худшем спалите транзистор,и... см.худший
случай ситуации 1.
   Вообще-то  есть сдвоенные диодные сбор-
ки,с общим катодом,но они мощные,и их чис-
то физически неудобно использовать в нашем
случае.
 

               Заключение.

   При  подготовки этой статьи я посмотрел
некоторые  издания (у  меня их немного), и
нашел два упоминания про защиту. Просто не
всегда  есть время на просмотр собственных
дисков (зато  всегда есть шанс найти в них
что-то новое:).Иногда, вполне реально,люди
публикуют схемы,работу которых сами не по-
нимают.В своих статьях я пытаюсь всё обос-
новать.
   У  меня есть (чисто практический) инте-
рес на реализацию защиты с минимальной по-
терей  напряжения. Конечно, схема будет не
самой надёжной  по количеству компонентов.
Надеюсь, про РЕЛЕ не подумали...

   По словам Timex/Sinclair Club, он испо-
льзовал диоды КД521 и проверял схему - она
работает  как  надо. Что ж, спасибо ему за
проверку, я бы не решился...

   Недавно один человек,не имеющий грамот-
ного представления о компах даже  в целом,
глянув  на квадратный пластмассовый корпус
с Пентагоном,спросил:что это? Я сказал,что
компьютер. Такой маленький? - удивился он.
Люди, а  ведь  многие из нас действительно
этого не замечали!
   Спектрум не умирает,он прогрессирует! И
стал  ещё более компактным и экономичным в
сравнении  с  современными  микроволновыми
башнями.Про доступность ресурсов пользова-
телю можно и не говорить...
 

  Последние дни Июня 2003 года. By KSA-7G.




Темы: Игры, Программное обеспечение, Пресса, Аппаратное обеспечение, Сеть, Демосцена, Люди, Программирование

Похожие статьи:
Источники тока - О источниках тока.
Железо - Что такое "Тестер" и с чем его едят.
Ликбез - Характеристика p-n переходов при слабом токе.

В этот день...   22 сентября