Wie kann verhindert werden, dass die Batterie vertauscht wird?

Solange es sich um ein batteriebetriebenes System handelt, gab es dieses Problem immer: Sie laden fälschlicherweise die Batterie, vertauschen die positiven und negativen Pole und erzeugen ein Ereignis mit umgekehrter Polarität. Das System ist vorübergehend ausgefallen oder dauerhaft beschädigt.

Kundenspezifische Batterien, die speziell für das System entwickelt wurden, um das Risiko eines falschen Einlegens und einer umgekehrten Polarität zu minimieren. Sie sind jedoch bewährte und zuverlässige gebrauchsfertige Geräte wie AAA-, AA-, C- und D-Zellen-Batterien und sogar CR123, CR2 und Knopf-lithium-batterien sind ebenfalls fehleranfällig.

In der Vergangenheit verwendeten Konstrukteure mechanische Strukturen, um elektrischen Kontakt mit den Batterieklemmen zu vermeiden (wenn die Batterie nicht richtig eingesetzt wurde). Mechanische Lösungen sind jedoch alles andere als perfekt. Sie erfordern normalerweise eine spezielle Bearbeitung, da die Federkontakte gut kontrollierte Toleranzen für mechanische Komponenten erfordern, um einen guten Kontakt zu gewährleisten, wenn die Batterie richtig eingelegt, aber nicht richtig eingelegt und nicht in Kontakt ist. Diese engen Toleranzen können zu Langzeitstabilitätsproblemen führen, da sich die zu verwendenden Federn und Kontakte verbiegen oder ausfallen können. Selbst bei normalem Gebrauch können wiederholte normale Einführungen zu Kontaktermüdung führen und die Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit einschränken.

Trotz dieser Einschränkungen gab es immer mechanische Lösungen, da sie die einzige praktische Lösung sind, mit der Entwickler eine fehlerhafte Batterieinstallation verhindern können. Elektrische Lösungen zur Verhinderung von Ereignissen mit umgekehrter Polarität, die durch Umkehrphasenbatterien verursacht werden, wurden kontrovers diskutiert.

Aufgrund des Spannungsabfalls während des normalen Betriebs ist es normalerweise nicht möglich, eine Seriendiode zu verwenden. Es ist auch keine gute Idee, eine Diodenerdungseinstellung zu verwenden, da ein Ereignis mit umgekehrter Polarität dazu führen kann, dass sich die Batterie für eine lange Zeit gefährlich entlädt und die Diode überhitzt.

Diskrete MOSFETs erfordern komplexe Strukturen und sind möglicherweise nicht optimiert oder speziell entwickelt, um eine Verpolung zu verhindern. Kritische Spezifikationen für die Bewertung der Leistung bei Ereignissen mit umgekehrter Polarität können verloren gehen. Dies kann dazu führen, dass Entwickler Schätzungen aus den Leistungsmerkmalen im Datenblatt ableiten und sichere Arbeitszeiten erraten müssen, was besorgniserregend ist. Abhängig davon, wie die MOSFETs angewendet werden, können sie außerdem eine Steuerung oder eine andere kostspielige Funktion erfordern.

Multifunktions-ICs sind manchmal mit Schaltungen ausgestattet, die eine Verpolung verhindern, was typischerweise eine erhebliche Schaltungskomplexität erhöht, da sie in einer positiv vorgespannten Umgebung arbeiten können und dann im Verpolungsmodus arbeiten oder nicht. Multifunktions-ICs bringen daher enorme Leistungs- und / oder Kostenkosten mit sich. Typische Implementierungen haben aufgrund von Kosten-Leistungs-Kompromissen eine relativ begrenzte Sperrvorspannungsfunktion (-2 V oder -6 V).

Ein spezielles Verpolungsschutzgerät ist ein wirksames Mittel, um ein fehlerhaftes Einlegen der Batterie zu verhindern

In jüngster Zeit hat das Aufkommen spezieller Schutzvorrichtungen mit umgekehrter Polarität den Entwicklern jedoch praktikablere elektrische Optionen geboten. Spezielle Geräte, wie sie beispielsweise von Fairchild angeboten werden, stellen eine der kostengünstigsten und leistungsfreiesten Methoden zur Verhinderung der Verpolung dar und sind eine ausgezeichnete Wahl für batteriebetriebene Systeme.

Diese einfache Einrichtung bietet kontinuierlichen und zuverlässigen Schutz. Das Design benötigt nur minimalen Platz auf der Leiterplatte, minimiert den Spannungsverlust und reagiert schnell und effizient unter Bedingungen mit umgekehrter Vorspannung.

Die Gesamtkosten sind auch gut. Schottky-Dioden der Serie sind im Allgemeinen kostengünstiger als spezielle Schutzvorrichtungen mit umgekehrter Polarität. Sobald jedoch der Betriebsstrom zu steigen beginnt, steigen die Gesamtkosten basierend auf dem Schottky-Verfahren. Für kostengünstige Kompromisse sind dedizierte Verpolungsschutzvorrichtungen wahrscheinlich die attraktivste elektronische Methode.

Die Leute werden weiterhin Fehler an der Batterie machen, aber die Art und Weise, wie Designer kleinere Unfälle verhindern können, wird sich wahrscheinlich ändern. Nach Berücksichtigung des gesamten Bereichs können spezielle Schutzvorrichtungen mit umgekehrter Polarität komplexe mechanische Lösungen im Laufe der Zeit vollständig ersetzen.

Ursachen für die Bildung der umgekehrten Polarität und Maßnahmen, die ergriffen werden können

Niemand möchte, dass sein System nicht funktioniert oder dass es sogar zu einem schwereren Brand kommt. Dies kann jedoch passieren, wenn die Verpolung brechen darf.

Die Verpolung ist das Ergebnis einer stationären Sperrvorspannung oder eines negativen Übergangs. Dies ist ein gefährlicher elektrischer Zustand, der nach dem Versand des Systems nur schwer zu verhindern ist.

Das Risiko der Verpolung ist eine echte Bedrohung für eine Vielzahl gängiger Anwendungen, einschließlich mobiler Elektronik, batteriebetriebener Systeme, Geräte, die an Kfz-Stromversorgungen angeschlossen sind, Spielzeug mit Gleichstromversorgung, Produkte mit Fassbuchsen oder Hitze, die einer negativen Spannung ausgesetzt ist. in oder induktive transiente Gleichstromgeräte. Systeme, die USB-Konnektivität und / oder USB-Aufladung unterstützen, sind besonders anfällig.

Hier sind einige der häufigsten Gründe für die Verpolung:

Verwenden Sie Aftermarket-Ladegeräte oder Netzteile

Der Markt für Ladegeräte von Drittanbietern wächst, aber nicht alle Ladegeräte sind mit einem Verpolungsschutz ausgestattet. In einigen Fällen hat das Ladegerät umgekehrte elektrische Kontakte oder die Polarität kann vom Benutzer eingestellt werden, was Raum für Fehler lässt.

Verwenden der "Hot Plug" -Funktion von USB

Die Möglichkeit, mobile Geräte einfach anzuschließen oder zu trennen, während sich der Bus im eingeschalteten Zustand befindet, bedeutet, dass "Hot-Swap" -Vorgänge zunehmen, ebenso wie die Größe der Hot-Plug-Transienten. Diese induktiven Transienten bringen den Bus in einen Zustand mit umgekehrter Polarität. Obwohl die Zeit dieser Schwünge oft kurz ist, ist die Größe groß. Spannungsschienenschwankungen von mehr als ± 20 V wurden während des "Hot-Swap" -Betriebs gemessen. Dieser Übergang kann sich auf das getrennte Gerät und andere Geräte auf der Spannungsschiene auswirken. Dieses Problem wird nur schlimmer, wenn der Ladestrom ansteigt.

Verwenden Sie eine Batterie, die nicht richtig eingelegt ist

Ein batteriebetriebenes System kann fehlerhaft funktionieren, weil die Batterie nicht richtig eingelegt ist und die positiven und negativen Anschlüsse vertauscht sind. Dies gilt insbesondere für AAA-, AA-, C- und D-Zellenbatterien oder Geräte mit herkömmlichen Formfaktoren wie CR123-, CR2- oder Knopflithiumbatterien. Wenn die Batterie richtig eingelegt ist, verhindert die mechanische Lösung den elektrischen Kontakt mit den Batterieklemmen. Diese Lösungen erfordern jedoch ein spezielles Formen und können Kontaktermüdung im Laufe der Zeit standhalten.

Verwendung von Wandsteckern in Entwicklungsländern

Es gibt auch Orte auf der Welt, an denen die Energieinfrastruktur weniger Schutzanforderungen hat, sodass das Netzteil große Spannungstransienten über die Leitung übertragen kann. Innenverkabelung verschlimmert die Situation. In der Vergangenheit haben herkömmliche Glühlampen dazu beigetragen, transiente Energie auf der Stromleitung zu absorbieren und zu unterdrücken, aber neue Produkttypen wie LEDs und CFLs hatten nicht die gleichen Unterdrückungseigenschaften. Energiesparende Arbeiten durch Umstellung auf LEDs und CFLs können zu Problemen führen, die noch nie aufgetreten sind.

Stecken Sie das Gerät in die Stromversorgung des Autos (oder des Flugzeugs, des Zuges usw.).

In vielen Fällen enthalten Netzteile in der Verkehrsleistung einen Verpolungsschutz, es gibt jedoch Ausnahmen, insbesondere bei kostengünstigen Alternativen. Ein ahnungsloser Benutzer, der das Gerät einfach in den leichteren Wagenheber des Autos einführt, kann ein Ereignis mit umgekehrter Polarität verursachen, da er nicht erkennt, dass der leichtere Wagenheber einen Geräteausfall verursachen kann.

Da es zu viele Möglichkeiten gibt, ein Ereignis mit umgekehrter Polarität auszulösen, muss der Konstrukteur alles tun, um eine umgekehrte Polarität zu verhindern, bevor das System das Werk verlässt, um Schäden zu vermeiden.

Optimale Schutzmethode für Verpolung in Systemen unter 100 mA

Niedrigstromsysteme - Systeme mit Betriebsströmen unter 100 mA oder 200 mA - decken ein breites Anwendungsspektrum ab, von Sicherheitssystemen und Feuermeldern bis hin zu Systemen für die Gebäudeautomation, Beschallungs- und Datennetze.

Dies umfasst viele verschiedene Arbeitsumgebungen, und Designer können nicht immer vorhersagen, wo ihre Systeme verwendet werden. Abhängig von der Situation kann das System schlechten elektrischen Bedingungen ausgesetzt sein, wie z. B. einer stationären Sperrvorspannung oder negativen Transienten, die Ereignisse mit umgekehrter Polarität verursachen und das System beschädigen können.

Das Ergebnis kann so einfach wie ein elektrischer Fehler sein, aber wenn die Situation schwerwiegend ist, kann dies zu einem Brand führen. Daher ist es für Entwickler nicht ungewöhnlich, Schaltungen hinzuzufügen, um die negativen Auswirkungen der Verpolung zu verhindern.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun, aber für Anwendungen mit geringem Strom ist die Effizienz normalerweise weniger problematisch. Solange das System dem Stromverbrauch standhält und der Betriebsspannungsabfall mit jedem Verfahren verbunden ist, können zwei einfache Verfahren der Serien-PN- oder Schottky-Diode verwendet werden, um das Ziel zu erreichen.

Serie PN Diode

Wenn das Design einen großen Serienabfall (± 1 V) akzeptiert oder ein Hochspannungs-Rücktransient (> 200 V) vorliegt, ist die Verwendung einer Serien-PN-Diode eine gute Wahl. Abbildung 2 zeigt ein Entwurfsbeispiel. Dies ist eine einfache, kostengünstige Lösung, die schnelles Blockieren, rücksetzbare Funktionen und eine hohe Durchbruchspannung bietet.

Diese Diode verbraucht am wenigsten Strom und benötigt daher weniger Kühlkörper und ist kostengünstiger. Solange das Gerät während des normalen Betriebs oder unter möglichen Fehlerbedingungen nicht heiß ist, funktioniert das System ordnungsgemäß.

Trotzdem ist die Lösung nicht für jedes Design geeignet. Der Kostenvorteil wird bald verschwinden, wenn der Betriebsstrom zunimmt. Darüber hinaus ist bei höheren Strömen die endgültig erforderliche Diode umso teurer, je höher der Stromverbrauch ist, und erfordert ein wärmeleitenderes Gehäuse und eine Kühlkörperstruktur.

Darüber hinaus können in Niederspannungssystemen ( ≤ 5 V) Diodenausfälle zusätzliche nachgeschaltete Boost-Schaltungen erfordern, was die Verfahren, von denen ansonsten zu erwarten wäre, dass sie kostengünstig sind, tatsächlich teuer macht.

Beachten Sie diese daher unbedingt, bevor Sie die PN-Diodenmethode verwenden.

Serie Schottky-Diode

Ein ähnliches, aber weiter verbreitetes Verfahren ist die Verwendung einer Serien-Schottky-Diode anstelle einer Serien-PN-Diode. Dieser Spannungsabfall ist etwas geringer (± 0,6 V) und das Design verbraucht weniger Strom.

Geringere Spannungsabfälle verringern die Anforderungen an das Wärmemanagement herkömmlicher PN-Dioden, was zu kleineren und kostengünstigeren Paketen führen kann.

Dennoch ist Vorsicht geboten, da der Druckabfall für viele Anwendungen immer noch zu hoch sein kann. Obwohl der Betriebsbereich von Schottky-Dioden breiter ist als der von Serien-PN-Dioden, werden bei dieser Methode Ströme unter 200 mA und mit höheren Spannungen (> 5 V) am besten angewendet.

Abschließend

Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, müssen die beiden Hauptaspekte Spannungsabfall und Stromverbrauch berücksichtigt werden. Unter der Annahme, dass beide Parameter innerhalb akzeptabler Grenzen liegen, können beide Verfahren Systeme mit geringem Strom effektiv vor Schäden schützen, die durch Ereignisse mit umgekehrter Polarität bei geringen Kosten verursacht werden können. Wenn Spannungsabfall oder Verlustleistung ein Problem darstellen, ziehen Sie eine aktive Lösung in Betracht, z. B. das FR-Gerät von Fairchild.

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