Привет, Хабр! Это Антон Комаров, автор команды спецпроектов МТС Диджитал. Сегодня я расскажу об одной любопытной самоделке, которой пользуются радиолюбители для защиты трансиверов от скачков напряжения по линии 12 вольт. Ее называют Crowbar circuit: действует она точно как монтировка, брошенная на клеммы. Звучит, конечно, необычно, но работает!
С чего все началось
На одной из регулярных встреч клуба радиолюбителей мой знакомый обратился ко мне с просьбой: спаять схему защиты для новенького КВ-трансивера. Не секрет, что для достижения минимального уровня помех такие устройства запитываются от отдельных мощных блоков питания. Увы, но даже это не защитит на все 100% линию в 12 В от большого напряжения. И если такое случится, оно обеспечит дорогостоящему девайсу путешествие в загробный мир.
Для предотвращения такого сценария между трансивером и блоком питания можно подключить дополнительное устройство защиты. Его суть в том, чтобы в нормальном режиме работы подавать питание напрямую. Если же напряжение выйдет за установленные границы, схема не должна позволить ему попасть на вход защищаемого устройства.
Казалось бы, что может быть проще, чем реализовать подобное при помощи мощного транзистора, который будет управлять протекающим через него током? С одной стороны, да, это сработает. Но только до того момента, пока не произойдет пробой транзистора между коллектором и эмиттером из-за превышения напряжения. Если оно будет выше заявленных характеристик, элемент выйдет из строя. Но это не самое страшное.
Высокое напряжение при пробое транзистора попадет дальше на вход питания защищаемого устройства со всеми вытекающими последствиями. Так что можно взять какой-то другой элемент, например, тиристор. Для него пробой — явление обратимое, а главное — это его штатный режим работы. Такая особенность позволяет реализовать простую, но очень эффективную схему защиты:
Как работает схема
В нормальном состоянии, когда напряжение от источника питания не превышает напряжение пробоя стабилитрона (Zener diode), тиристор BTW68/800 закрыт. Ток при этом протекает напрямую через нагрузку:
Но как только это условие перестанет выполняться, схема включится в работу и произойдут разные интересные процессы. Прежде всего ток преодолевает стабилитрон и попадает на управляющий контакт тиристора (G). Сопротивление резистора R2 выше, чем R1, а это ограничивает возможность тока потечь через него:
Тиристор открывается и начинает работать в режиме пробоя, обеспечивая по факту короткое замыкание в цепи, словно монтировку бросили на клеммы. Особенность этого элемента в том, что при снятии напряжения с управляющего контакта он продолжает работать в режиме пробоя:
Теперь дело за малым — должен сгореть плавкий предохранитель, разрывая электрическую цепь:
Это сохранит работоспособность тиристора, позволяя восстановить схему защиты сразу же, как только предохранитель будет заменен.
Практическая реализация
Теория — это прекрасно, но когда речь доходит до сборки, нужно задуматься о том, какие детали заказать и как сделать устройство удобным для использования. Первым и самым сложным делом будет найти требуемый тиристор. Я выбрал модель BTW68/800:
Цифры в его названии обозначают следующее:
максимальное обратное напряжение — 800 В. Именно такое значение может привести к неконтролируемому пробою элемента. На практике оно вряд ли «прилетит» по линии 12 В;
в штатном режиме пробоя такой тиристор способен «переварить» ток до 68 А при условии обеспечения надлежащего охлаждения. В готовом устройстве защиты прикручивать радиатор к нему нет необходимости, поскольку тот попросту не успеет критично нагреться до момента перегорания плавкого предохранителя.
Вот полный список характеристик элемента из его даташита:
Максимальный средний ток в открытом состоянии (Iᵀ(RMS)): 30 А.
Максимальное обратное напряжение: 800 В.
Ток удержания (Iₕ): не более 75 мА.
Ток отпирания (Iₗ): типично 40 мА.
Максимальный импульсный ток в открытом состоянии (IᵀSM): 400 А (при длительности импульса 10 мс).
Прямое падение напряжения (VᵀM): 2,1 В (при токе 60 А).
Критическая скорость нарастания тока (dI/dt): 100 А/мкс.
Критическая скорость нарастания напряжения (dV/dt): 500 В/мкс (при Vᵈʳᵐ = 800 В).
Рабочий диапазон температур перехода (Tⱼ): от -40 до +125 °C.
Тип корпуса: TOP3.
Все отлично, единственным минусом можно считать стоимость тиристора. В одном из самых популярных московских магазинов радиотоваров цена составила 1 380 ₽ (на момент написания этого текста). Если заказывать с зарубежных маркетплейсов, получится дешевле процентов на 30–40 даже с учетом доставки. В качестве стабилитрона я выбрал популярный 1N4744A.
Этот диод стоит около 5 ₽ и есть практически везде. Ну а в качестве конденсатора выбран самый простой пленочный с маркировкой 104K 400V на 100nF. Стоил он мне 22 ₽:
Резисторы же у меня были в наличии, когда-то давно покупал большой набор. Они также стоили недорого, в пределах 5 ₽ за штуку. Сейчас же неназываемый, но хорошо известный всем магазин продает их по 9 ₽. Также я решил сделать потенциальную замену предохранителя удобной, а поэтому заглянул в ближайшие автотовары и там приобрел держатель для флажковых предохранителей, стоимостью около 100 ₽.
В итоге все детали собрал, пошел к другу для финального макетирования… А у того паяльник сгорел и остался только дедушкин (в прямом смысле слова), естественно, безо всякой регулировки температуры. И жало там едва не с палец толщиной. Прототип выглядел вот так:
Пайка ужасна, конечно, но прототип заработал сразу же и без нареканий. Уже позже мы пересобрали все вместе и упаковали в герметичный корпус для РЭА (350 ₽). Ввод и вывод — на разъемах XT90 (400 ₽), которые чаще всего используют для RC-моделей. Это еще и своеобразная защита от переполюсовки, ведь подключить его можно только с правильной полярностью.
У меня сохранилась и фотография готового и протестированного устройства:
Crowbar circuit мне понравился прежде всего своей простотой и утилитарностью. Ничего лишнего и при этом схему может собрать даже человек, который только научился паять (макет выше примерно так и выглядит). Вместе с заказом тиристора с маркетплейса такой самодельный девайс обошелся примерно в 1 900 ₽, что по нынешним временам выглядит достаточно бюджетно. Теперь он оберегает КВ-трансивер стоимостью на два порядка выше.
Как вам самоделка? Расскажите о своем опыте в комментариях.
Комментарии (52)
mlnw
09.01.2025 09:55Заходишь в блог компании МТС, ожидая почитать про импортозамещение высоких технологий и это вот всё, в итоге читаешь про технологии, которые мы заслужили.
rsashka
09.01.2025 09:55Такие статьи гораздо лучше и полезнее, чем еженедельные новости из Китая о его превозмогании санкций США за счет собственного производства.
Oangai
09.01.2025 09:55Лучше так не делать, эта схема ложный друг, подведет в самый неподходящий момент. Слабое место - стабилитрон: при определённой скорости нарастания входного напряжения его может пробить до того как успеет сработать плавкий предохранитель, но вы этого скорее всего сперва не заметите, если предохранитель все-таки сработал. Предохранитель замените и успокоитесь, а защита больше не работает.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Тем не менее, подобные решения раньше широко применялись в составе блоков питания, предназначенных для питания дорогостоящей электроники. Например, источник питания БПС6 от "Электроники-60" https://sysadmin.link/?p=1590 На первом фото хорошо видно три тиристора (по количеству каналов выходного напряжения) схемы защиты под большим электролитом.
Oangai
09.01.2025 09:55не видя схему трудно сказать для чего они там, я бы скорее предположил что заменяли реле задержки подачи питания на время стабилизации. Там у них на входе трансформатор, так что особых перенапряжений и резких фронтов во вторичке не должно быть.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Для того самого, о чем говорится в статье - для защиты нагрузки от повышенного напряжения в случае пробоя силовых транзисторов импульсных стабилизаторов напряжения. Вот только схема управления тиристорами, насколько помню, была несколько сложнее, чем просто один стабилитрон.
Oangai
09.01.2025 09:55и даже если, тем не менее, защищать находясь во вторичке комплексного блока питания, где все условия нормированы, это совсем другая задача чем у автора, пытаться защитить произвольный DC вход от произвольного перенапряжения или переполюсовки. Вопрос не в том, может ли схема сделать это единожды, вопрос в том, можно ли на неё полагаться.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Здесь я с Вами соглашусь, что схема дополнительной защиты от перенапряжения, если она необходима, должна входить в состав источника питания, а не быть отдельным устройством. Кстати, подобные схемы в составе источников питания рассматривали и такие авторитеты, как Хоровиц и Хилл в их Искусстве Схемотехники https://kaf70.mephi.ru/content/public/uploads/files/iskusstvo_shemotehniki_t-1_p.horovic_1993.pdf страница 335 раздел 6.06
Denis_Chernyshev
09.01.2025 09:55Источником перенапряжения может быть наводка на линии от источника до потребителя, или неисправность в другом потребителе (если их несколько параллелно). Так что защиту от напряжения правильно ставить на входе потребителя.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Если специально не извращаться с линией питания, чтобы добиться ее максимальной индуктивности, что нормальный человек делать явно не будет, то перенапряжения там могут быть только в виде очень коротких иголок, от которых тиристор не поможет - он просто не успеет открыться. Там надо ставить что-то более быстродействующее.
Denis_Chernyshev
09.01.2025 09:55От "иголок" спасет фильтр - проходной дроссель и кондеры. Ну и газовый разрядник не помешает.
Oangai
09.01.2025 09:55кстати, если внимательно посмотрите, заметите что тиристоры включены там сразу после трансформатора, мощные транзисторы уже дальше по схеме, а вот выпрямительных диодов там сосем нет. Так что скорее всего тиристоры и выполняли роль управляемого синхронного выпрямителя для импульсной стабилизации, со всей сопутствующей сложной обвязкой, а транзисторы работали уже на сглаживание.
А дело в том, что в ссср до последнего была проблема с мощными импульсными mosfet транзисторами, откровенно говоря паршивые они там были, а тиристоры были и дешевле и надёжнее, так что приходилось синхронные выпрямители по возможности на тиристорах городить. В телевизорах конца восьмидесятых уже применялись импульсные AC/DC преобразователи с mosfet в первичке, так они и горели там что мама не горюй, а замену найти трудно было.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Нет, тиристоры включены именно на выходах каналов импульсных стабилизаторов напряжения, параллельно выходам. Выпрямительные диоды там есть, просто их плохо видно - это мост (или полумост - уже не помню) на "таблетках" КД213, на первом фото они зажаты под небольшим радиатором на отдельной печатной плате ниже трансформатора.
Естественно, никаких мощных полевиков там нету, в качестве силовых ключей используются биполярные транзисторы. Тогда в союзе мощных ключевых полевых транзисторов просто не было как класса, были только усилительные, неприлично высокое сопротивление каналов которых не позволяло использовать их в качестве мощных ключей.
Oangai
09.01.2025 09:55да, действительно, вижу мост, и это ужасно, потому что тогда вообще теряется смысл весь этот огород городить. Силовых транзисторов там два, индукторы преобразователя видимо эти зелёные кольцевые сбоку, так что выдавать они могли всего 1 или 2 канала, в зависимости от способа включения, а выходных каналов и этих защит ровно три, что тем более странно. И плавкие предохранители там вроде как есть, но впаянные, так что не для самостоятельной замены, только в сервисе.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Там три канала: два мощных +5В 18А, +12В 3.5А и маломощный -12В, соответственно и силовых части две мощные и одна хиленькая. Если очень хочется покопаться в ретросхемотехнике - то нашел откуда можно скачать документацию и схему: https://www.qrz.ru/schemes/detail/1406.html
Что касается впаянных предохранителей на стороне низкого напряжения - то они же могут сгореть не в результате каких либо перегрузок и замыканий в нагрузке, для этого есть защита по току, а только в результате выхода самого блока питания из строя, так что их замена подразумевает и ремонт всего блока питания. Так что в их "впаянности" нет ничего плохого, наоборот - нечего их менять без диагностики и ремонта остального.
nv13
09.01.2025 09:55Появились мощные полевики уже к 88 году - семплы из Новосибирска нам присылали. Старший коллега чего то на них делал на 10-25 кВт.
Oangai
09.01.2025 09:55на моей памяти в самом начале 90x к нам на ремонт какие-то черно-белые телевизоры последних тогдашних моделей попадали, в черном пластиковом корпусе и довольно лёгкие, производителя не помню к сожалению. Там у них однозначно стоял уже нормальный высокочастотный импульсник на высоковольтном полевике, по как-бы современной уже схеме, мы тогда с такой схемой первый раз и познакомились, непривычно еще было для советской техники, без тяжелого трансформатора. Только вот они-то там в основном и горели, а заменить нечем было.
nv13
09.01.2025 09:55Новосибирские были мощные - около 100А ток и под 1 кВ напряжение, их для электропривода разрабатывали.
Serge78rus
09.01.2025 09:55Блок питания на фото, судя по шильдику, 1987 года выпуска. Следовательно, проектировался он еще раньше. И учитывайте инерционность советского массового производства - конкуренция тогда не особо подхлестывала, да и принцип "работает - не трожь".
Oangai
09.01.2025 09:55кстати, если внимательно посмотрите, заметите что тиристоры включены там сразу после трансформатора, мощные транзисторы уже дальше по схеме, а вот выпрямительных диодов там совсем нет. Так что скорее всего тиристоры и выполняли роль управляемого синхронного выпрямителя для импульсной стабилизации, со всей сопутствующей сложной обвязкой, а транзисторы работали уже на сглаживание.
А дело в том, что в ссср до последнего была проблема с мощными импульсными mosfet транзисторами, откровенно говоря паршивые они там были, а тиристоры были и дешевле и надёжнее, так что приходилось синхронные выпрямители по возможности на тиристорах городить. В телевизорах конца восьмидесятых уже применялись импульсные AC/DC преобразователи с mosfet в первичке, так они и горели там что мама не горюй, а замену найти трудно было.
OldFashionedEngineer
09.01.2025 09:55Это было до удешевления полевиков и появления почти халявных драйверов верхнего плеча. Сейчас для этих целей есть готовые микросхемы с высоким быстродействием и защитой даже от импульсного воздействия.
VT100
09.01.2025 09:55стабилитрон: при определённой скорости нарастания входного напряжения его может пробить
Если в виду имеется не туннельный/Зенеровский обратимый пробой стабилитрона, на котором и построена работа схемы, то какой?
Типичный механизм отказа для стабилитрона - К.З. и, в случае выхода его из строя, схема просто будет коротить любое входное напряжение, превосходящее падение от тока У.Э. на последовательном резисторе (5 В при 100 Ом и условных 50 мА макс.) + 0,8-1,2 В, требуемые для открытия симистора.
А "пробить" стабилитрон до обрыва - не позволит включение симистора. Резистор в 470 Ом добавит к току через стабилитрон всего ничего, порядка 13 мА (при тех же вводных о токе и напряжении срабатывания симистора и сопротивлении последовательного резистора.
Oangai
09.01.2025 09:55как у любого полупроводника там возможен лавинный и тепловой пробой. Поскольку конденсатор в схеме в нормальном состоянии разряжен, в момент пробоя сопротивление будет составлено из обоих резисторов в парралель, это около 84 ома, потом возрастёт до 470. Попади туда например случайно сетевые 220V, мощность на стабилитроне будет от 32 до 5.7 ватт, вот и можете прикинуть сколько миллисекунд он протянет пока испарится. При транзиентных наводках энергии может быть и поменьше, но и они тоже могут пройти несколько раз за короткое время
CitizenOfDreams
09.01.2025 09:55Лучше так не делать, эта схема ложный друг, подведет в самый неподходящий момент.
Я подозреваю, что если дело доходит до такой скорости нарастания напряжения, что не выдержит стабилитрон - то там уже не поможет ни кроубар, ни транзорбер, ни черт лысый.
А эта схема с тиристором много где успешно применялась. Вот, например, защита шины +5V из старого Тектроникса-1705:
Скрытый текст
Denis_Chernyshev
09.01.2025 09:55Вообще-то в массовой схемотехнике для создания искусственного КЗ используется варистор. Просто, дешево, надежно.
juramehanik
09.01.2025 09:55Варистор пережигающий предохранитель на 20А при 12в большеват будет
Denis_Chernyshev
09.01.2025 09:55Варистору так-то ток не важен, главный параметр - "поглощаемая энергия", которую варистор может переварить, не сгорев. Подробнее нужно уже на конкретной схеме считать. Облегчить работу варистора можно быстродействующим предохранителем, и газовым разрядником на сотню В. Ну, а если мало будет, то и пусть сгорит этот копеечный варистор, но схему защитит.
YMA
09.01.2025 09:55Это на входе блоков питания, где 220 вольт и меньшие, чем в статье, токи. А тут пытаются защитить потребителя низковольтного питания, что сложнее. :)
OldFashionedEngineer
09.01.2025 09:55Варистор - надёжно? Вот тут не соглашусь. При регулярных нагрузках номинальным током он быстро стареет и может произвольно перегореть. Скорость срабатывания очень низкая для современных схем. И плату потом после его перегорания отмывать напряжно.
JBFW
09.01.2025 09:55Единственно что - не очень представляю себе схему БП, который может выдать существенно более высокое напряжение от штатного.
Ну разве что это DC-DC понижайка или БЖТ с пробитой изоляцией обмоток при заземленном железном корпусе.juramehanik
09.01.2025 09:55Почитайте про load transient response. Из за хреновой ОС в блоке питания могут быть сильные всплески что убьют аппаратуру если внутри криво реализована защита от перенапряжения. Супрессор на 12в ограничивает далеко не на 12 вольтах
Oangai
09.01.2025 09:55как уже указали, например transients, всплески от коммутируемой нагрузки в параллельно проложенном кабеле, могут быть значительными и обеих полярностей. Другое дело, что приведённая схема от них не спасёт, они слишком быстрые, а стабилитрон убить уже может.
У нас как-то на одном приборе transients стабильно убивали драйвер rs485 контроллера, когда по шине управляли мощным 24V соледоидом через 10-15m четырёхжильного кабеля (две сигнальных, две питания). А просто ребята ошиблись с защитой выхода драйвера, немного не те zener поставили, взяли на +-15V когда по спеку надо -7 и +12. А китайский драйвер спек выполнял точно, при -11 после третьего импульса дох как миленький. При том что принимающий драйвер на самом соленоиде не страдал, убивало именно что контроллер.
Jury_78
09.01.2025 09:55единственным минусом можно считать стоимость тиристора
Ток же импульсный, можно взять тиристор по-проще. Типа BT151-500R (120А 10мс)
OldFashionedEngineer
09.01.2025 09:55Пока тиристор откроется и пред оборвет цепь, нагрузка перегорит раз десять...
VT100
09.01.2025 09:55Симистор (тиристор) - не пробивается, а включается.
Для полноты разработки - следует сравнить справочные параметры I²t для предохранителя и симистора. "Melting integral" для первого должен быть ниже, чем у второго на ожидаемом (расчётном) времени срабатывания.
Сегодня - не плюсую.
nixtonixto
09.01.2025 09:55В этой схеме лучше использовать Fast предохранители в цилиндрическом корпусе - автомобильные слишком медленные, с запредельным параметром I²t. И 30-амперного тиристора для пережигания 20 А предохранителя имхо маловато, нужно как минимум пятикратный запас...
DanilinS
На старых советских платах было что-то аналогичное. Но там стоял мощный стабилитрон на шине питания. При превышении напряжения он открывался - и сжигал предохранитель. Что-то типа Д815Е в металле.
Или просто защитный диод. SM6T15CA. Стоит рубли. И не нужно городить схему.
nafikovr
Увы, данный диод не имеет достаточной энергоемкости, для защиты достаточно мощной нагрузки.
Luboff_sky
1,5КЕ15А
VT100
ЕМНИП, среди выводных подавителей можно найти варианты вплоть до 5 кВт в импульсе.
Зато, снабдив тиристор более точным пороговым элементом, можно и повысить точность и уменьшить время нахождения защитного элемента в приоткрытом состоянии.
nafikovr
Все верно.
Подавители они на то и подавители, что могут подавлять (рассеивая в виде тепла) кратковременные выбросы большой мощности, так называемые единичные импульсы в терминологии ЭМС. Однако их характеристики не позволят заменить тиристор с обвязкой в данном решении.
Если посмотреть на ВАХ того же 1,5КЕ15А, то видно что для гарантированного и быстрого выжигания предохранителя потребуется превышение напряжения в разы. Иначе неизвестно кто первым схлопнется и наверняка это будет не предохранитель.
Тиристор тоже не панацея, так как чудес скорострельности не показывает. Однако вы верно заметили, что можно установить довольно точный порог срабатывания (что в приведенной схеме и имеется), что приведет к началу срабатывания при достаточно низком напряжении. Как более надежный вариант есть даже специализированные микросхемы, например MC3423.
При этом не стоит забывать, что данная схема применяется лишь как дополнение и крайняя мера для случаев когда имеющейся защиты по входу недостаточно, а она в приличном (и, вероятно, дорогом) девайсе должна быть по умолчанию и реализована скорее всего на тех же подавителях. Например, в случае подключения устройства расчитанного на 12В в бортовую сеть 24В. Вообще, если посмотреть на схемотехнику серьезных устройств разработанных для работы от бортовой сети автомобиля, можно найти очень интересные решения.