Circuito di protezione dall'inversione di polarità

Le batterie sono la fonte di alimentazione più conveniente per fornire tensione a un circuito elettronico. Ci sono molti altri modi per accendere dispositivi elettronici, come adattatori, celle solari, ecc., Ma l'alimentatore CC più comune è la batteria. Generalmente tutti i dispositivi sono dotati di circuito di protezione dall'inversione di polarità, ma se si dispone di un dispositivo a batteria che non dispone di protezione dall'inversione di polarità, è necessario fare sempre attenzione durante la sostituzione della batteria, altrimenti il dispositivo potrebbe far saltare in aria.

Quindi, in questa situazione, il circuito di protezione dall'inversione di polarità sarebbe un'utile aggiunta al circuito. Esistono alcuni metodi semplici per proteggere il circuito dalla connessione di polarità inversa come l'utilizzo di un diodo o un ponte di diodi o l'utilizzo di MOSFET a canale P come interruttore sul lato HIGH.

Protezione dall'inversione di polarità mediante diodo

L'utilizzo di un diodo è il metodo più semplice ed economico per la protezione dall'inversione di polarità, ma presenta un problema di dispersione di corrente. Quando la tensione di alimentazione in ingresso è alta, una piccola caduta di tensione può non avere importanza, specialmente quando la corrente è bassa. Ma in caso di sistema operativo a bassa tensione, anche una piccola quantità di caduta di tensione è inaccettabile.

Come sappiamo, la caduta di tensione su un diodo generico è di 0,7 V, quindi possiamo limitare questa caduta di tensione utilizzando il diodo Schottky perché la sua caduta di tensione è compresa tra 0,3 V e 0,4 V e può anche resistere a carichi di corrente elevati. Fai attenzione quando scegli un diodo Schottky, perché molti diodi Schottky sono dotati di un'elevata dispersione di corrente inversa, quindi assicurati di sceglierne uno con bassa corrente inversa (inferiore a 100uA).

A 4 Amp, la potenza dissipata da un diodo Schottky nel circuito sarà:

4 x 0,4 W = 1,6 W.

E nel diodo ordinario:

4 x 0,7 = 2,8 W.

È anche possibile utilizzare un raddrizzatore a ponte intero per la protezione dall'inversione di polarità, poiché è indipendentemente dalla polarità. Ma il raddrizzatore a ponte è costituito da quattro diodi, quindi la quantità di spreco di energia sarà il doppio dello spreco di energia nel circuito sopra con un singolo diodo.

Protezione dall'inversione di polarità tramite MOSFET a canale P.

L'utilizzo di un MOSFET a canale P per la protezione dall'inversione di polarità è più affidabile di altri metodi, a causa della bassa caduta di tensione e della capacità di corrente elevata. Il circuito è costituito da un MOSFET a canale P, un diodo Zener e un resistore di pull-down. Se la tensione di alimentazione è inferiore alla tensione Gate-to-Source (Vgs) del MOSFET a canale P, è necessario solo il MOSFET senza diodo o resistenza. Devi solo collegare il terminale di gate del MOSFET a terra.

Ora, se la tensione di alimentazione è superiore a Vgs, è necessario abbassare la tensione tra il terminale di gate e la sorgente. I componenti necessari per la realizzazione dell'hardware del circuito sono menzionati di seguito.

Materiale richiesto

MOSFET a canale P FQP47P06
Resistenza (100k)
Diodo Zener da 9,1 V.
Breadboard
Collegamento dei cavi

Schema elettrico

Funzionamento del circuito di protezione dall'inversione di polarità mediante MOSFET a canale P.

Ora, quando si collega la batteria come da schema elettrico, con la corretta polarità, il transistor si accende e consente alla corrente di fluire attraverso di esso. Se la batteria è collegata al contrario o con polarità inversa, il transistor si spegne e il circuito viene protetto.

Questo circuito di protezione è più efficiente di altri. Analizziamo il circuito quando la batteria è collegata nel modo giusto, il MOSFET a canale P si accenderà perché la tensione tra gate e source è negativa. La formula per trovare la tensione tra gate e source è:

Vgs = (Vg - Vs)

Quando la batteria è collegata in modo errato, la tensione al terminale del gate sarà positiva e sappiamo che il MOSFET a canale P si accende solo quando la tensione al terminale del gate è negativa (minimo -2,0 V per questo MOSFET o inferiore). Quindi, ogni volta che la batteria viene collegata in senso inverso, il circuito sarà protetto dal MOSFET.

Ora parliamo della perdita di potenza nel circuito, quando il transistor è acceso la resistenza tra drain e source è quasi trascurabile ma per essere più precisi si può passare attraverso il datasheet del MOSFET P-Channel. Per il MOSFET a canale P FQP47P06, la resistenza on-source di drenaggio statico (R _{DS (ON)}) è 0,026 Ω (max.). Quindi, possiamo calcolare la perdita di potenza nel circuito come di seguito:

Perdita di potenza = I ² R

Supponiamo che il flusso di corrente attraverso il transistor sia 1A. Quindi la perdita di potenza sarà

Perdita di potenza = I ² R = (1A) ² * 0,026Ω = 0,026W

Quindi, la perdita di potenza è circa 27 volte inferiore rispetto al circuito che utilizza un diodo singolo. Ecco perché l'utilizzo di un MOSFET a canale P per la protezione dall'inversione di polarità è di gran lunga migliore di altri metodi. È leggermente più costoso del diodo ma rende il circuito di protezione molto più sicuro ed efficiente.

Abbiamo anche utilizzato un diodo Zener e un resistore nel circuito per la protezione contro il superamento della tensione gate to source. Aggiungendo il resistore e il diodo Zener di 9,1 V, possiamo bloccare la tensione gate-source a un massimo di 9,1 V negativi, quindi il transistor rimane sicuro.