Схема защиты от напряжений ±500 В

Вступление

На Рисунке 1 показана схема защиты низковольтных высокоимпедансных измерительных приборов от напряжений до ±500 В. Защита реализуется путем ограничения величины тока, поступающего в измерительный прибор. Схема защитит от разрушительных высоких постоянных напряжений до 500 В положительной и отрицательной полярности, непреднамеренно подключенных к щупам (V_MEAS).

Рисунок 1.

Описание схемы

Схема состоит из двух транзисторов Q₁ и Q₂ и одного резистора R₁. Q₁ и Q₂ – это 500-вольтовые MOSFET с обедненными каналами n-типа в корпусе SOT-89 для поверхностного монтажа, имеющие защиту от электростатического разряда промежутка затвор-исток. Q₁ и Q₂ включены встречно-параллельно как два источника постоянного тока с номинальным значением 1.0 мА. Уровень ограничения этого тока задает резистор R₁. На Рисунке 2 показана типичная схема высокоимпедансной входной цепи измерительного прибора. На Рисунке 3 изображена упрощенная эквивалентная схема цепей защиты.

Рисунок 2.

При нормальной работе абсолютное значение V_MEAS меньше напряжения питания схемы. Транзисторы Q₁ и Q₂ будут полностью открыты и иметь сопротивления сток-исток не более 1.0 кОм. Поскольку входное сопротивление прибора обычно очень велико, скажем, больше 10 МОм, дополнительное последовательное сопротивление 2.0 кОм, вносимое двумя транзисторами, не повлияет на точность измерений.

Рисунок 3.

При неисправности абсолютное значение V_MEAS больше, чем напряжение питания; Q₁ ограничивает ток до 1.0 мА при больших положительных напряжениях, а Q₂ ограничивает ток до –1.0 мА при больших отрицательных напряжениях V_MEAS.

Например, если V_MEAS подключить к ±500 В, транзисторы Q₁ и Q₂ ограничат входной ток до ±1.0 мА, в результате чего входное напряжение на измерительном приборе будет ограничено на уровне, на 1.3 В превышающем напряжение питания (при R = 600 Ом), и на 0.7 В более низком, чем уровень земли.

Обычно измерительные приборы имеют на обеих входных клеммах диоды защиты от электростатических разрядов, подключенные к источнику питания и земле. Как правило, эти диоды могут выдерживать непрерывный ток 1.0 мА. Если защитные диоды отсутствуют, можно добавить внешние диоды D₁, D₂, D₃ и D₄.

Расчет сопротивлений резисторов

Для уровня ограничения тока ±1.0 мА сопротивление R₁ можно аппроксимировать следующим выражением:

где

I_D – требуемое значение постоянного тока;
V_GS(OFF) – напряжение отсечки;
I_DSS – ток насыщения при напряжении затвор-исток, равном 0 В.
V_GS(OFF) и I_DSS являются характеристиками транзистора и будут различаются от партии к партии. Фактические значения постоянного тока не являются критическими до тех пор, пока мощность, рассеиваемая LND150N8, не превышает 600 мВт.

На Рисунках 4а и 4б показаны зависимости тока от напряжения V_MEAS в реальной схеме. Сопротивление резистора R₁ было выбрано равным 1 кОм.

Рисунок 4.

Заключение

Схема защиты от высокого напряжения идеально подходит как для настольных, так и для портативных измерительных приборов. Она проста, надежна и дешева. Схема исключает возможность повреждения чувствительных и дорогих высокоимпедансных входных устройств измерительных приборов.

Материалы по теме

1. Datasheet Microchip LND150N8-G