Scalone uklady analogowe i cyfrowe sa delikatne. Przepiecia w obwodach wejsciowych i wyjsciowych polaczonych przewodami z sensorami lub innymi urzadzeniami i organami wykonawczymi powstaja na skutek :
- Wyładowania atmosferycznego
- Wyladowan elektrostatycznych
- Uszkodzenia instalacjii uziemiajacej lub powstania duzych różnic potencjalow wskutek przeplywu zwarciowych pradow awaryjnych
- Uszkodzenia izolacji przewodów
- Rozlaczania obwodow pradowych z zawsze obecna indukcyjnością i przenikania przepiec przez sprzezone przewody syganlowe i sieciowe
- Błędnego polaczenie przewodow zasilających i sygnalowych
- Uszkodzenia wspolpracujacych urzadzen, sensorow i organow wykonawczych
Polaczenia bywaja dosc dlugie. Im sa dluzsze i im wiekszej mocy sa obwody silowe tym wieksze sa problemy z zakloceniami obwodow sygnalowych.
W ukladach zabezpieczajacych stosuje sie glownie pochlaniajace energie elementy nieliniowe w konfiguracji szeregowo z sygnalem i rownolegle z nim :
- Diody - rownolegle. Istotny jest maly czas odzyskania zdolnosci przewodzenie Tfr (Time forwad recovery , nie mylic z Trr). Im wyzsze jest nominalne maksymalne napiecie wsteczne diody tym wiekszy szkodliwy czas Tfr ! Diody rodziny 1N400X toleruja przez czas 10ms impuls pradu do 50A. Nalezy stosowac diody 1N4001 lub 1N4002 na niskie napiecia. Sa tanie i zajmuja w miare malo miejsca na PCB. Motorola podaje ze ich Tfr wynosi okolo 0.3uSec. Tam gdzie oczekujemy malych zaklocen wystarcza diody malosygnalowe. Diody i diody Zenera sa najczestszym srodkiem ochrony
- Diody Zenera i specjalnie dedykowane do ograniczania przepiec diody mocy Zenera Transil w stosunkowo malych obudowach - rownolegle.
Dopiero diody Zenera na napiecie nominalne 6.8-7.5V maja ostre chrakterystyki. Diody na mniejsze napiecia maja duze prady uplywowe i sa bezuzyteczne.Trzeba o tym pamietac. Standardowe diody Zenera sa tanie i latwo dostepne. Producenci podaja wykresy pokazujace impulsowa tolerancje diod na moc lub prad w funkcji czasu impulsu.
- Warystory - rownolegle. Wspolczynnik potegowy nieliniowej charakterystyki dochodzi do 38 a wiec element jest mocno nieliniowy. Dla danej srednicy warystora dyskowego maksymalny prad impulsu jest nieomal staly i zdolnosc absorbcji energi ( oraz grubosc dysku) rosnie liniowo z napieciem nominalnym. Znakomicie nadaja sie do obwodow z napieciem sieciowym ale nie sa polecane dla malych napiec. Ich zdolnosc absorcji impuslu energi na tle diod Zenera jest ogromna !
- Odgromniki ceramiczne w postaci walca o srednicy 8mm i dlugosci 6mm - rownolegle. Tolerowany prad wyladowania 10-20kA powoduje ze nadaja sie (podobnie jak warystory ) do obwodow ktore moga zaabsorbowac energie pioruna lub jej czesc - na przyklad linie telefoniczne.
- Neonowki Ich zaleta jest nieskonczona opornosc do momentu zajarzenia - rownolegle. Spotykane w obwodach EKG ktore musza tolerowac impuls z defibrylatora.
- Rezystory gatunku Flame Proof ktore przerywaja obwod a nie dymia i nie pala sie - szeregowo. Urzadzenie wymaga jednak naprawy. Jest to ochrona przed pozarem.
- Miniaturowe bezpieczniki na male prady, 50mA - szeregowo. Bezpieczniki i rezystory rozlacza obwod w stanie awaryjnym. Urzadzenie wymaga jednak naprawy. Jest to ochrona przed pozarem.
- Pozystory - szeregowo. Nagrzany awaryjnym pradem pozystor ma duza opornosc i zachowuje sie jak odwracalny bezpiecznik. Bezpiecznik, rezystor FP czy pozystor moga ograniczyc prad zasilacza 24V do petli pradowych 0/4-20mA w automatyce.
- Tyrystory w ukladach crowbar do zwarcia niebezpiecznie duzego napiecia - rownolegle.
Uklady scalone maja z reguly na wejsciach i wyjsciach "diody" zabezpieczajace polaczone do GND i VDD. Czesto nie sa to diody ale zlacza pasozytniczych tranzystorow w ukladzie czterowarstwowym czyli tworzace tyrystory.
Kiedy doprowadzimy do wejsc lub wyjsc napiecia / prady ktore spowoduja aktywacje wspomnianych diod to po pierwsze wzrasta poczatkowo pobor mocy ( badany uklad CMOS statycznie praktycznie nie pobiera pradu ) a powyzej pewnego pradu nastepuje zalaczenie pasozytniczego tyrystora i jesli nie jest ograniczony prad zasilania nastepuje zwarcie zasilania i zniszczenia ukladu !
Zachowanie konkretnego ukladu wynika z analizy struktury pasozytniczych elementow. Jak dotychczas nie ma technologi w ktorej oprocz elementow pozadanych nie powstaja elementy niepozadane. Oczywiscie projekt masek i procesy produkcyjne maja dac pasozytnicze tranzystory o jak najmniejszym wzmocnieniu a rezystory bocznikujace zlacza B-E pasozytniczych tranzystorow o jak najmnieszej opornosci.
Znakomity artykuł "Standardizing latch-up immunity tests for HCMOS logic ICs", "Electronic components & application" Vol 7, No 3 ,p 187-197, 1986 podaje sposob badania zjawisk zwiazanych z zatrzaskwianie lach-up przy uzyciu charakterografu dla tranzystorow. Omawia takze struktury pasozytnicze na wejsciach i wyjsciach ukladow w technologi HCMOS i sposoby ich aktywowania przez prady zakloceniowe.
"Zaklocenie" podajemy z kondensatora >1nF-10uF naladowanego do napiecia 300-3000 V czy z zasilacza pradu stalego czy nawet napiecie sieciowe.
Skutecznosc projektowanych zabezpieczen zalezy od spodziwanych zaklocen oraz wymaganej niezawodnosci pracy urzadzenia.
Najprostszym zabezpieczeniem jest szeregowy wejsciowy opornik ewentualnie zabocznikowany rownoleglym kondensatorkiem dla szybkich sygnalow.
Dobrym zabezpieczeniem sa diody dolaczone do sygnalu, do GND i Vdd ( lub absorbera ) lub dioda Zenera do GND oraz dodatkowy opornik w szereg z wejsciem ukladu scalonego. Im wieksza rezystancja opornika tym mniejszy bedzie prad plynac przez wejscie ukladu.
Natezenie pradu tolerowanego krotko na wejsciu ukladu HCMOS jest <100mA i dla impulsu rosnie przy spadku jego czasu i dla impulsu 100ns wynosi 800mA. Inna sprawa jest to ze impuls moze uszkodzic uklad cieplnie i spowodowac zatrzasniecie aktywowanych , Latch-up, pasozytniczych struktur tyrystorowych. Odpornosc na zatrzasniecie bywa rozna. Przy niegraniczonym pradzie zasilania zatrzasniety uklad ulegnie zniszczeniu. Jest na to prosta recepta. Uklad do ktorego podane sa sygnaly zewnetrzne gdzie spodziewamy sie duzych zaklocen zasilamy przez opornik ( + maly kondensator blokujacy zasilanie ), ktory ewentualnie ograniczy prad zasilania. Przy duzym dodatnim impulsie lokalne napiecie moze na kondensatorze nawet wzrosnac a po chwili przy zatrzasnieciu (rezystor zmniejsza takze szanse zatrzasniecia ) spasc ale jesli prad podtrzymania bedzie maly to po incydencie napiecie wzrosnie i wszystko wroci do normy. Ochrona ta dziala pod warunkim ze uklad nie pobiera duzo pradu i mozliwe jest zasilanie przez ograniczajacy awaryjny prad opornik.
Przyklad.
Mikrokontroller w technologi CMOS ma wbudowany przetwornik A/D z ukladem Sample / Hold i ma 8 multiplexowanych analogowych wejsc o zakresie przetwarzania 0-5V. Ma wspolpracowac z osmioma petlami pradowymi 20mA.
Prad kazdej petli przetworzymy na napiecie 0-4.98 V rezystorem 249 Ohm tolerancji 0.1-1%. Sa trzy rozwiazania.
1. Napiecie z rezystora 249 Ohm szeregowym opornikiem zabezpieczajacym podajemy na wtornik na wzmacniaczu operacyjnym zasilanym tak aby nie dawal napiec wyjsciowych znacznie ponizej zera i powyzej 5V. Miedzy wejsciem mikrokontrolera a wyjsciem wzmacniacza dajemy dodatkowo opornik ograniczajacy prad wplywajacy do wejsc mikrokontrollera. Rozwiazanie dosc kosztowne - dwie kostki poczwornych wzmacniaczy operacyjnych i koniecznosc ich zasilenia co generuje koszty w zasilaczu.
2. Napiecie z rezystora 249 Ohm podajemy dwoma szeregowo polaczonymi rezystorami zabezpieczjacymi do wejscia mikrokontrolera a w punkcie srodkowym szeregowych rezystorow dajemy standardowa diode Zenera do GND na napiecie 6.8V. Mniejsze napiecie jest wykluczone z uwagi na prad uplyw diody czyli wprowadzany blad. Wartosc szeregowego rezystora musi byc taka aby kondensator ukladu S/H dokladnie przyjal probke w czasie probkowania. Podzial szeregowej rezystancji miedzy dwa oporniki wynika z rozwiazania zadania optymalizacji !
3. Rownolegle do wejsciowego rezystora 249 Ohm dajemy diode Transil na napiecie 7.5V a sygnal podajemy szeregowym rezystorem do wejscia mikrokontrollera. Dioda Transil jest droga i to jest minus rozwiazania.
Zalozmy ze omawianym systemie ulegl uszkodzeniu sensor w petli 20mA lub nastapilo zwarcie miedzy przewodami. polaczeniowymi Petla jest zasilana napieciem 24V. W ukladach 1 i 2 na rezystorze 249 Ohm bedzie napiecie troche mniejsze niz 24V i wydzieli sie w nim moc 2.3 W i chca aby sytuacja mogla dlugo trwac rezystor musi byc mocy conajmniej 2W. W ukladzie 3 musi zadzialac bezpiecznik lub prad petli musi ograniczyc zasilacz bowiem innaczej dioda Transil sie spali. Czyli do trzeciego rozwiazania dobrze pasuje bezpiecznik lub pozystor.
Program mikrokontrollera moze w sytuacji awaryjnej zalaczyc alarm lub wylaczyc zasilanie 24V dla petli.
Jesli sygnal jest duzo mniejszy ( na przyklad z termopary ) niz napiecie przewodzenia diod to do ochrony stosujemy dwie antyrownolegle polaczone diody.
Trudniejsza jest ochrona wyjsc a to dlatego ze wartosc opornika szeregowego ktory na wejsciu mogl byc stosunkowo duzy musi byc mala na wyjsciu. Niemniej opornik i diody lub dioda Zenera czesto sa wystarczajace. Gdy spodziewamy sie poteznego zaklocenia mozemy dac kaskade zabezpieczen Gamma. Wpierw rownolegly warystor i szeregowy opornik, rownolegla dioda Zenera i znow szeregowy opornik do wyjscia.
W wielokanalowych ukladach z sensorami RTD, jak PT100 multiplexery analogowe CD4051 lub CD4067 pracuja jako demultiplexery podajace prad ze zrodla pradowego do wybranego sensora.
Zewnetrzne awaryjne prady zaklocajace w kazdym kanale odprowadzamy para diod 1N4001 do GND i specjalnego napiecia absorbera ( nie powinno to byc napiecie zasilania bowiem prad poteznego zaklocenia moze bardzo podniesc napiecie Vdd i zniszczyc caly system ) na ktorym napiecie jest wieksze niz normalne napiecie na wejsciach. Prad awaryjny moze przerwac bezpieczniki lub uzyte jako bezpieczniki rezystory Flame Proof.
Tam gdzie sygnaly sa bardzo male i wymagany zabezpieczajacy duzy opornik szeregowy pogorszylby parametry szumowe czy dryftowe to mozna zastosowac tranzystor JFet jako opornik (normalnie Rdson ) i zrodlo pradowe o pradzie Idss w modzie zakloceniowym. Popularny tranzystor BF245A ma ca Rdson=200 Ohm i Idss=4mA. Wytrzymuje napiecie ca 30V i do takiego poziomu z pewnocia uda sie juz zaklocenie ograniczyc innymi elementami na wejsciu
Praktycznie zawsze z zabezpieczeniem przepieciowym dajemy elementy tlumiace (kondensator ceramiczny i / lub miniaturowy dlawik ) zaklocenia radiowe RF.
Podane sposoby zabezpieczen sa stosowane takze do transeiverow komunikacji szeregowej RS422 i RS485. Jednak gdy dlugosc polaczen urzadzen przekracza kilkadziesiat / kilkaset metrow ( zaleznie od poziomu zasmiecenia srodowiska zakloceniami ) nie pozostaje nic innego jak iziolacja galwaniczna podsystemow transceiverow bowiem zaklocajace sygnaly wspolne sa za duze dla malej stopy bledow komunikacji.
Sygnaly izolowane sa szybkimi transoptorami 6N136 i 6N137.Konieczny jest tez izolowany zasilacz. Jak widac izolowane wyspy transceiverow sa drogie.
Konkretne rozwiazania ochrony sa omowione w konkretnych urzadzeniach.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz