Перейти к содержанию

Схема crowbar: защита от перенапряжения на TL431 и тиристоре

Если стабилизатор пробьёт и на шину 5 В придёт 12 В, микроконтроллер сгорит за доли секунды. Схема crowbar («лом») в этот момент замыкает шину тиристором и пережигает предохранитель: плата остаётся без питания, но целой. Разбираем схему с порогом на TL431 по рис. 25 даташита onsemi, считаем порог с разбросом, ток управляющего электрода, согласование тиристора и предохранителя по I²t и объясняем, почему это защита последнего рубежа.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Crowbar (англ. «лом») — защита, которая при перенапряжении замыкает шину питания накоротко. Обычно это тиристор: однажды открывшись, он остаётся открытым, пока через него течёт ток, и ток короткого замыкания пережигает предохранитель перед ним. Нагрузка видит перенапряжение лишь несколько микросекунд, пока срабатывает тиристор. Обзор способов защиты — в статье «Защита входа питания» и в словаре: защита от перенапряжения.

Коротко

Порог
5,54–5,84 В (TL431B, 1 %)
Защищаем
ATmega328P: до 6,0 В
Тиристор
VS-25TTS08: I²t 365 А²·с
Предохранитель
SF-1206F200: I²t 0,181 А²·с
Ток управления
88–133 мА при IGT до 60 мА
Задержка
≈ 1,5 мкс при скачке до 12 В

Схема на TL431

Защита от перенапряжения на TL431 и тиристореПлюс 5 В с разъёма идёт через предохранитель F1 SF-1206F200 на 2 А к нагрузке. Между плюсом после предохранителя и общим проводом стоит тиристор VS1 VS-25TTS08 анодом к плюсу. Делитель R1 12,7 кОм и R2 10 кОм с плюса на общий провод подключён к выводу REF микросхемы DA1 TL431B; параллельно R2 — конденсатор C1 1 нФ. Катод TL431 через резистор R4 1 кОм соединён с базой PNP-транзистора VT1 BC327, анод — с общим проводом. Эмиттер VT1 подключён к плюсу, между базой и эмиттером резистор R3 1 кОм. Коллектор VT1 через резистор R5 33 Ом подаёт ток на управляющий электрод тиристора, между управляющим электродом и катодом тиристора резистор R6 1 кОм. Когда напряжение превышает около 5,7 В, TL431 открывается, VT1 открывается и включает тиристор, тиристор замыкает шину, и предохранитель перегорает.+5 В входF1SF-1206F200, 2 Ак нагрузкеR112,7 кОмR210 кОмC11 нФREFDA1TL431BR41 кОмR31 кОмVT1BC327R533 ОмR61 кОмVS1VS-25TTS08Срабатывание: 2,495 В · (1 + R1 / R2) + Iref · R1 ≈ 5,7 В

Схема повторяет рис. 25 даташита onsemi TL431/D. Делитель R1/R2 подаёт на вывод REF часть напряжения шины. Пока она ниже 2,495 В, TL431 закрыт, и резистор R3 держит PNP-транзистор VT1 закрытым. Когда напряжение шины превышает порог, TL431 открывается и тянет базу VT1 вниз через R4, VT1 открывается и через R5 подаёт ток в управляющий электрод тиристора VS1. Тиристор замыкает шину после предохранителя F1, ток короткого замыкания пережигает F1, и плата отключается от неисправного источника. Конденсатор C1 на REF отсекает короткие помехи: при небольшом превышении порога он задерживает срабатывание на единицы микросекунд, при большом — на доли микросекунды. В нашей версии эмиттер VT1 подключён прямо к шине, а ток управления задаёт R5 в цепи коллектора; у onsemi резистор стоит в эмиттере.

Расчёт: шина 5 В для ATmega328P

Источник — адаптер или USB на 5 В ±5 %, то есть до 5,25 В в норме. Наибольшее рабочее напряжение ATmega328P — 6,0 В (DS40002061B, предельные режимы). Порог должен уверенно лежать между ними.

  1. Порог. Как у любого делителя с TL431,
Uпор=Vref(1+R1R2)+IrefR1.U_\text{пор} = V_\text{ref}\left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) + I_\text{ref} R_1.

С R1 = 12,7 кОм и R2 = 10 кОм номинал — 2,495 · 2,27 + 2 мкА · 12,7 кОм ≈ 5,69 В. Разброс (наш расчёт по худшему сочетанию): у TL431B опорное 2,483–2,507 В при 25 °C, ток REF до 4 мкА, резисторы 1 % — от 5,57 до 5,81 В. Добавим до 16 мВ отклонения опоры в диапазоне 0–70 °C (умноженные на 2,27) — от 5,54 до 5,84 В. Запас до 5,25 В — 0,29 В, до 6,0 В — 0,16 В. С обычным TL431 (2,44–2,55 В) диапазон 5,48–5,91 В, и с учётом температуры верхняя граница подходит к 6 В вплотную — поэтому здесь версия B.

  1. Делитель. Сопротивление со стороны REF — R1 ∥ R2 = 5,6 кОм, меньше 10 кОм, которые TI советует для компаратора на TL431 (разд. 9.2.1). Делитель берёт с шины 0,22 мА.

  2. Скорость. Постоянная времени C1 с делителем — 5,6 кОм · 1 нФ = 5,6 мкс. В работе C1 уже заряжен до рабочего напряжения REF: 5 В · 10 / 22,7 = 2,20 В, до порога остаётся меньше 0,3 В. Если шина скачком поднимается до 12 В (пробой стабилизатора), REF дойдёт до порога примерно через 0,6 мкс, дальше открытие тиристора — около 0,9 мкс, всего порядка 1,5 мкс. При небольшом превышении, до 6,5 В, задержка больше — около 3,3 мкс (наш расчёт). TI предупреждает, что вблизи порога TL431 открывается медленно, а для быстрого срабатывания нужно перевозбуждение больше 10 % Vref (разд. 9.2.1.2) — при медленном росте напряжения схема сработает, но не мгновенно. Конденсатор больше 1 нФ замедлит защиту, а без конденсатора она может сработать от помехи при подключении кабеля.

  3. Ток управляющего электрода. VS-25TTS08 гарантированно открывается током 45 мА при 25 °C и 60 мА при −10 °C, при напряжении на управляющем электроде до 2,0 и 2,5 В. В открытом состоянии катод TL431 опускается примерно до 2 В (TI, разд. 9.2.1.2.2), база VT1 — около 5,6 − 0,7 = 4,9 В, и ток через R4 1 кОм — около 2,9 мА; из него около 0,7 мА уходит в R3, в базу попадает около 2,2 мА. Ток коллектора через R5 33 Ом при шине 5,6 В — (5,6 − 0,2 − UУЭ) / 33 Ом: 133 мА при UУЭ = 1 В и 88 мА при 2,5 В. Для этого нужен коэффициент усиления около 60, у BC327 — не меньше 100 при 100 мА. Ток катода TL431 равен току R4 — около 2,9 мА, в его пределах. Импульс длится, пока тиристор не замкнёт шину, поэтому мощность R5 и VT1 не важна.

  4. Ложные срабатывания. Пока TL431 закрыт, его ток не больше 0,5 мкА, а на R3 1 кОм это 0,5 мВ — VT1 закрыт с запасом. Резистор R6 1 кОм между управляющим электродом и катодом отводит утечки: тиристор не открывается при 0,25 В и 2 мА на управляющем электроде (при 125 °C), а скорость нарастания напряжения на аноде допускается до 500 В/мкс.

Предохранитель и тиристор

Защита работает, только если предохранитель сгорает раньше, чем перегреется тиристор, и если он вообще способен разорвать ток источника.

  1. I²t. Тиристор выдерживает 365 А²·с за 10 мс (с обратным напряжением) и 270 А пикового тока. Предохранителю SF-1206F200 для плавления нужно около 0,181 А²·с — в 2000 раз меньше. Даже с учётом дуги после плавления тиристор переживёт срабатывание с огромным запасом. Это первое правило: I²t отключения предохранителя должно быть намного меньше I²t тиристора.

  2. Ток источника. Вставка на 2 А при 4 А сгорает не дольше чем за 60 с, а по кривым Bourns — примерно за секунду при 4–5 А и за 10 мс при 6–7 А (по графику, ориентировочно). Если источник при коротком замыкании ограничивает ток на 3 А, вставка будет гореть долго, а тиристор — рассеивать около 1,0 В · 3 А ≈ 3 Вт (наша оценка по VT(TO) и rt). В корпусе TO-220 без радиатора с 62 °C/Вт это +190 °C — больше предельных 125 °C. Поэтому номинал вставки выбирают так, чтобы ток короткого замыкания источника был хотя бы в 3–4 раза больше: для адаптера с защитой на 3 А нужна вставка на 0,5–0,8 А, а значит и нагрузка платы не больше 0,3–0,5 А.

  3. Ток удержания. Если источник при замыкании выдаёт меньше 150 мА (наибольший ток удержания) или меньше 200 мА в момент включения, тиристор не останется открытым: схема будет открываться и закрываться, а напряжение на шине — пилить. С таким маломощным источником нужен другой способ защиты — например, электронный предохранитель с ограничением выхода.

  4. Отключаемый ток. Вставка SF-1206F200 рассчитана на отключение 50 А при 63 В. Свинцовый аккумулятор или мощный лабораторный блок может дать больше — тогда вставку берут с большим отключаемым током.

  5. Ёмкости на шине. В момент открытия тиристор разряжает конденсаторы шины: 100 мкФ при 5,6 В — всего 1,6 мДж, но ток ограничивают только ESR и проводники. Допустимая скорость нарастания тока VS-25TTS08 — 150 А/мкс; при большой ёмкости с малым ESR прямо на шине между ней и тиристором полезен небольшой участок дорожки или резистор в доли ома.

Почему это последний рубеж

Crowbar не стабилизирует напряжение и не возвращает плату в работу: после срабатывания нужен новый предохранитель. Он срабатывает, когда что-то уже сломалось — пробит ключ стабилизатора (как у модуля LM2596, который выдаёт на выходе входное напряжение, — см. разбор) или подключили не тот адаптер. Короткие импульсы ограничивает TVS-диод (защита от электростатики), перегрузку по току — электронный предохранитель, который у TPS25953x заодно удерживает выход на 5,2–5,7 В при перенапряжении на входе. Crowbar ставят там, где перенапряжение недопустимо ни при каком отказе, а замена предохранителя — приемлемая цена.

Вариант со стабилитроном

Защита от перенапряжения на стабилитроне и тиристореПлюс 12 В через предохранитель F1 идёт к нагрузке. Между плюсом и общим проводом включён тиристор VS1 анодом к плюсу. Стабилитрон VD1 BZX84C13 катодом подключён к плюсу, анодом — к управляющему электроду тиристора; между управляющим электродом и общим проводом резистор R1 1 кОм. Когда напряжение превышает напряжение стабилизации плюс напряжение отпирания тиристора, ток стабилитрона открывает тиристор.+12 ВF1к нагрузкеVD1BZX84C13R11 кОмVS1VS-25TTS08Срабатывание ≈ UСТ + UУЭ: примерно 13…17 В

Самая простая схема — стабилитрон от шины к управляющему электроду. Тиристор открывается, когда ток стабилитрона доходит до IGT. Порог — напряжение стабилизации плюс напряжение на управляющем электроде. Для BZX84C13 это 12,3–14,2 В в зависимости от тока и экземпляра, ТКН +7…+11 мВ/К; к ним добавляется 1,0–2,5 В отпирания VS-25TTS08 в зависимости от температуры, а ток до 60 мА выводит стабилитрон далеко за 20 мА, при которых нормировано его напряжение. В итоге порог — примерно от 13 до 17 В (наша оценка). Для шины 12 В от адаптера это допустимая грубая защита от подключения 19–24 В, для шины 5 В с пределом 6 В — нет.

Детали

ПозицияДетальПримечание
F1SF-1206F200 (2 А)ток КЗ источника — хотя бы 6–8 А; отключаемый 50 А
VS1VS-25TTS08-M3TO-220; IGT до 60 мА
DA1TL431B (TL431BC)опорное 2,483–2,507 В
VT1BC327hFE не меньше 100 при 100 мА
R1, R212,7 кОм, 10 кОм, 1 %порог 5,54–5,84 В
R3, R41 кОм, 1 кОм
R533 Омток управления 88–133 мА
R61 кОммежду управляющим электродом и катодом
C11 нФфильтр REF, τ = 5,6 мкс

Почему не работает

  • Срабатывает при включении адаптера. Выброс при подключении превышает порог. Проверьте осциллографом напряжение шины при включении; увеличьте C1 до нескольких нанофарад или поднимите порог, если позволяет запас до предела нагрузки.
  • Сработал, но предохранитель цел, а тиристор горячий. Источник ограничивает ток ниже тока, при котором вставка быстро сгорает. Уменьшите номинал вставки или поставьте предохранитель туда, где течёт ток неисправного источника.
  • Шина «пилит», тиристор не держится. Ток источника после срабатывания меньше тока удержания (до 150 мА) или включения (до 200 мА).
  • Не срабатывает на морозе. Ток управления ниже 60 мА при −10 °C: велик R5 или мал коэффициент усиления VT1.
  • Сгорела нагрузка, хотя crowbar стоял. Порог выше предела нагрузки — посчитайте его с разбросом опоры, тока REF и резисторов, а не по номиналу, — или защита слишком медленная из-за большого C1.

Частые вопросы

Чем crowbar отличается от TVS-диода?

TVS-диод ограничивает напряжение и рассеивает энергию короткого выброса сам, после чего схема работает дальше. Тиристор crowbar при перенапряжении замыкает шину почти накоротко и держит её замкнутой, пока не перегорит предохранитель или не пропадёт питание. Поэтому TVS ставят от импульсов, а crowbar — от длительного перенапряжения, например при пробое стабилизатора.

Почему после срабатывания crowbar надо менять предохранитель?

Так задумано: тиристор открывается и остаётся открытым, пока через него течёт ток больше тока удержания. Ток ограничивает только источник и предохранитель, и именно перегорание предохранителя отключает неисправный источник от платы. Самовосстанавливающийся PPTC вместо вставки годится, только если источник не может долго держать ток, при котором тиристор перегреется.

Можно ли сделать порог crowbar на стабилитроне?

Можно, но неточно. Порог равен напряжению стабилизации плюс напряжение отпирания тиристора, а оно у VS-25TTS08 — от 1 до 2,5 В в зависимости от температуры. Со стабилитроном на 13 В порог получается от 13 до 17 В. Для шины 5 В с запасом до 6 В нужен TL431.

Сработает ли crowbar после импульсного стабилизатора, у которого есть ограничение тока?

Сработает, но предохранитель может не перегореть: стабилизатор ограничит ток на нескольких амперах, а тиристор будет держать шину замкнутой и греться. Предохранитель ставят так, чтобы через него шёл ток неисправного источника — например, на входе платы перед всеми стабилизаторами, — и проверяют, что этого тока хватит, чтобы он сгорел быстро.

Источники

  1. onsemi. TL431A, B Series, NCV431A, B Series, SCV431A (TL431/D, Rev. 45, November 2025) — рис. 24 — crowbar на симисторе, рис. 25 — на тиристоре: порог Vout(trip) = Vref · (1 + R1/R2), TL431 через PNP-транзистор подаёт ток в управляющий электрод, предохранитель перед схемой
  2. Texas Instruments. TL431, TL432 Precision Programmable Reference (SLVS543S, revised May 2024) — разд. 6.11 — TL431BC: Vref 2483–2495–2507 мВ, отклонение в диапазоне температур до 16 мВ, Iref 2 и до 4 мкА (отклонение до 1,2 мкА), Imin до 0,6 мА, ток закрытого прибора до 0,5 мкА; разд. 6.5, 6.8 — Vref TL431C 2440–2550, TL431AC 2470–2520 мВ; рис. 9-8 — crowbar; разд. 9.2.1 — TL431 как компаратор: порог с запасом на погрешность, для быстрого срабатывания перевозбуждение больше 10 % Vref, сопротивление до REF меньше 10 кОм, выход в открытом состоянии около 2 В
  3. Vishay. VS-25TTS08-M3, VS-25TTS12-M3: Thyristor High Voltage, Phase Control SCR, 25 A (doc. 96288, revision 26-Nov-2024) — назначение — в том числе crowbar; 800 В; IT(AV) 16 А, IRMS 25 А; ITSM 270 А (10 мс, с обратным напряжением) и 320 А; I²t 365 и 515 А²·с; VTM 1,25 В при 16 А; VT(TO) 1,0 В, rt 12 мОм; ток удержания до 150 мА, ток включения (latching) до 200 мА; dV/dt 500 В/мкс, dI/dt 150 А/мкс; IGT не больше 60 / 45 / 20 мА при −10 / 25 / 125 °C, VGT не больше 2,5 / 2,0 / 1,0 В; не открывается при 0,25 В и 2 мА на управляющем электроде (125 °C); время включения 0,9 мкс; RthJC 1,1, RthJA 62 °C/Вт; кристалл до 125 °C
  4. onsemi. BC327: PNP Epitaxial Silicon Transistor (BC327-FCS/D, Rev. 2, January 2024) — −45 В, −800 мА; hFE не меньше 100 при −100 мА и не меньше 60 при −300 мА; VCE(sat) до −0,7 В при −500 мА / −50 мА; 625 мВт
  5. Bourns. SF-1206F Series — Fast Acting Surface Mount Fuses (REV. J 04/21) — SF-1206F200: 2 А, 63 В пост., отключаемый ток 50 А при 63 В; I²t плавления 0,181 А²·с (при 10-кратном токе); при 200 % номинала — не дольше 60 с; кривые времени до дуги
  6. onsemi. BZX84C2V4LT1 Series Zener Voltage Regulators (BZX84C2V4LT1/D, Rev. 23, August 2021) — BZX84C13: 12,4–13–14,1 В при 5 мА, 12,3–14,0 В при 1 мА, 12,5–14,2 В при 20 мА; обратный ток 0,1 мкА при 8 В; ТКН +7…+11 мВ/К
  7. Microchip. ATmega328P Data Sheet (DS40002061B) — предельные режимы — наибольшее рабочее напряжение 6,0 В

Нашли ошибку?

Смотрите также