Что нужно знать о методах защиты электронных цепей?

Игнорирование некоторых типов электрических воздействий может привести к повреждению компонентов и, в конечном итоге, к выходу из строя всей системы. Что повышает эффективность схемы защиты и как избежать подводных камней при ее реализации?

Представьте ситуацию Настойчивый звонок от вице-президента по операциям разбудил главного инженера глубокой ночью в пятницу. «Наш завод встал!» — возбужденно сообщил вице-президент. Видимо, в Оклахома-Сити была сильная гроза, которая сопровождалась множественными ударами молний, в результате работа завода была приостановлена. Теперь главный инженер должен прервать свой мини-отпуск с семьей в Кабос-Сан-Лукас и следующим рейсом лететь домой в Оклахому. Остановка завода – это вопрос жизни и смерти для главного инженера, и он должен быть решен немедленно.

Согласно данным Национальной сети США по регистрации грозовых явлений, в штате Оклахома отмечается в среднем за год 1017989 ударов молний. По грозовой активности это второе место после Флориды, где в среднем фиксируется 1,45 млн. ударов молнии в год, а плотность этих ударов на квадратную милю достигает колоссального значения в 25,3.

Что можно сделать, чтобы предотвратить аварийную ситуацию? Как защититься от природных воздействий, которые могут повредить оборудование, остановить производство, прервать ваш отпуск и грозят неприятностями на работе?

Еще совсем недавно схемы защиты были громоздкими, дорогими и сложными в реализации. К счастью, достижения современной схемотехники и микроэлектроники предоставили разработчикам электронных систем надежные и простые в реализации интегральные решения для защиты электрических цепей.

Зачем нужна защита системы?

Неисправности электронных систем могут возникать из-за превышения напряжения, тока, температуры и по другим причинам. Надежная защита имеет важное значение для продуктивной эксплуатации системы. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний. Или, что еще хуже, они сталкиваются с выходом ее из строя уже на заводе. Давайте обсудим три наиболее распространенных типа системных сбоев:

• из-за превышения рабочих диапазонов напряжения;
• тока;
• из-за перегрева оборудования.

Сбой по напряжению питания

Броски напряжения и звон в цепях питания

Удары молнии, перегоревший предохранитель, короткое замыкание, горячая замена отдельных блоков, звон в кабеле и другие причины могут привести к тому, что входное напряжение питания постоянного тока окажется выше или ниже диапазона номинальных значений. На рисунке 1 показан пример короткого замыкания на конце кабеля длиной 10 футов (3 м), что сопровождается переходными процессами в цепи питания постоянного тока, известными также как звон напряжения. При этом напряжение достигает пикового уровня 50,4 В, что почти вдвое выше номинального уровня 24 В. Кроме того, звенящее напряжение также понижается примерно до 11 В (относительно начального напряжения короткого замыкания 0 В). Надежная система должна работать без перерывов при возникновении переходных процессов (звона) в цепи питания, либо, по крайней мере, выдержать его без повреждений.

Рис. 1. Звон напряжения в длинном кабеле после имитации кратковременного короткого замыкания (а), настройки испытательной цепи (б) и схема испытательной цепи (в)

Подобный звон напряжения также возникает во время горячей замены отдельных блоков, когда плата с разряженными конденсаторами подключается к находящейся под напряжением объединительной плате (рисунок 2) или когда где-нибудь в системе перегорает предохранитель. Ситуация еще более ухудшается при расширенном диапазоне питания постоянного тока. Например, стандарт IEC61131-2 определяет для промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК) постоянное номинальное напряжение питания 24 В с допуском -15…20% и с дополнительными выбросами переменного тока до уровня +5%. Таким образом, шина питания 24 В постоянного тока может иметь минимальное значение 19,2 В и максимальное значение 30 В. Если мы будем использовать в вышеупомянутом эксперименте источник питания 30 В постоянного тока, тогда скачок пикового напряжения легко достигнет уровня 60 В.

Рис. 2. Горячая замена системной платы

Удар молнии может вызвать высоковольтный скачок напряжения. Для предотвращения его воздействия можно использовать внешнее устройство подавления напряжения переходных процессов, или TVS (Transient Voltage Suppressor), и входной фильтр. Для сглаживания пульсаций напряжения в шинах питания 24 В промышленных систем обычно используют защитные диоды, например SMAJ33A. При бросках напряжения TVS может ограничить повышенное напряжение на уровне 53,3 В. Таким образом, любой электронный компонент, подключенный к шине 24 В, должен выдерживать напряжение не менее 53,3 В.

Входное обратное напряжение

В редких случаях может произойти неправильное подключение системы. Например, автомобильный аккумулятор подключен в обратной полярности. Другой пример – стоечная система, где обслуживающий персонал может неправильно вставить плату или подключить кабель питания в обратной полярности, и так далее. Когда уровень входного напряжения внезапно падает из-за короткого замыкания по входу или низкого уровня сигнала, то выходной конденсатор будет иметь более высокий потенциал, что вызывает состояние обратного напряжения. Аналогичное условие возникает, когда выход внезапно замыкается на шину более высокого напряжения, например, в многожильном связном кабеле. Ошибочные подключения входного обратного напряжения случаются редко, но могут привести к дорогостоящему восстановлению системы и, следовательно, должны быть предотвращены.

Неисправности из-за превышения тока

Перегрузка по току и короткое замыкание

Очевидные неисправности, связанные с током – это перегрузка на выходе и короткое замыкание. Перегрузка по току возникает, когда система работает с превышением возможностей. Короткое замыкание может вызвать неисправный компонент на плате. Бывает даже, что кто-то случайно уронил металлический инструмент на разъем питания или просверлил кабель, — эти действия также могут привести к короткому замыканию. И если плата не защищена, то она может получить непоправимые повреждения или даже загореться.

Бросок пускового тока

Когда плата с разряженными конденсаторами устанавливается в находящуюся под рабочим напряжением систему, происходит бросок тока, устремляющегося в заряжающиеся конденсаторы. Этот неконтролируемый пусковой ток описывается формулой 1:

• где I – пусковой ток;
• C – емкость;
• dv/dt – скорость изменения напряжения на конденсаторе.

Если разряженный конденсатор (при напряжении 0 В) подключен к объединительной плате под напряжением 24 В, то в этом случае дифференциальное значение dv/dt является мгновенным (бесконечно большим), что означает бесконечно большое значение для I (тока). Неуправляемый бесконечно большой пусковой ток может повредить разъемы, взорвать предохранители и вызвать звон в цепях питания на объединительной плате.

Обратный ток

Когда появляется обратное напряжение, как это объяснено в разделе «Входное обратное напряжение», возникающий в обратном направлении ток может привести к серьезному повреждению системы.

Неисправности при чрезмерном выделении тепла

Аварийная защита от превышения температуры

Когда температура системы или компонента достигает опасного уровня, защита от перегрева отключает систему, чтобы предотвратить повреждение и возможное возгорание. Правильно спроектированные системы должны работать, не допуская чрезмерного повышения температуры. Тем не менее, отключение при этом может происходить после возникновения таких неисправностей как:

• постоянное состояние перегрузки;
• неисправный системный вентилятор;
• случайная блокировка входа/выхода охлаждающего воздуха;
• отказ системы кондиционирования воздуха в помещении и так далее.

Тепловая защита

В чем разница между тепловой защитой и аварийным отключением при перегреве? Тепловая защита имеет больше интеллектуальных функций. Вместо того чтобы ожидать, пока температура достигнет уровня отключения, тепловая защита выдает системе предупреждение и альтернативные варианты, когда из-за первичного повреждения температура выйдет за пределы рабочего диапазона. Система может выбирать допустимые нагрузки, работать с пониженной частотой коммутации и так далее, чтобы уменьшить рассеиваемую энергию. Таким образом, при перегреве можно предотвратить отключение системы и снижение производительности до устранения основной неисправности.

Системные защитные решения

Выбор схемы

Разработчики, которые хотят надежно защитить свои электронные продукты, при проектировании схемы сталкиваются с необходимостью решения разного рода задач . Дискретная или частично интегральная реализация защиты требует большого количества внешних компонентов. Набор допусков и погрешностей параметров всех компонентов нуждается в серьезном анализе и проверке, гарантировать устойчивую длительную работоспособность системы непросто. из-за большого количества компонентов габаритные размеры изделия увеличиваются.

Современные защитные функции системы

В идеальном случае защита системы должна иметь высокую степень интеграции, быть простой в проектировании и не затруднять сертификацию проекта. Вот некоторые ключевые особенности современной защиты на базе ИС (интегральных схем):

• интегрированные полевые транзисторы типов PFET и NFET для защиты от прямого/обратного напряжения/тока;
• интегрированные прецизионные датчики тока;
• программируемые повышенное/пониженное напряжения, пороги ограничения тока и режимы реакции на неисправности;
• тепловая защита с предупреждающей сигнализацией.

Пример современного системного защитного решения

Чтобы защитить разработанную мной систему от всех рассмотренных ранее схемных неисправностей, я выбрал микросхему MAX17608/9. На сегодняшний день это одна из наиболее надежных и компактных ИС для защиты от бросков высокого напряжения при токе нагрузки до 1 А, отличающаяся высокой степенью интеграции. Эти электронные компоненты соответствуют наиболее строгим стандартам производственной безопасности и потребностям в миниатюризации, поскольку габаритные размеры модульных стоек ПЛК продолжают сокращаться, а внутренности стоек уплотняются вместе с увеличением количества портов ввода/вывода.

На рисунке 3 показана принципиальная схема на основе MAX17608/9. Диапазон напряжения питания этой ИС +4,5…+60 В. Она может выдерживать отрицательное входное напряжение до -65 В. MAX17608/9 включает в себя интегрированные PFET и NFET для защиты от повышенного прямого/обратного напряжения/тока. Микросхема использует программируемые превышение/понижение напряжения, пороги ограничения тока, режимы реагирования на неисправности и тепловую защиту с аварийной сигнализацией. Эта ИС выпускается в крошечном 12-контактном корпусе TDFN-EP и занимает на плате площадку 3х3 мм.

Рис. 3. Подключение компактной защитной ИС MAX17608/9 с высокой степенью интеграции

Помимо наличия целого ряда подходящих мне для использования функций, эта микросхема характеризуется очень высокой точностью измерения тока – на уровне ±3%. Собранная из отдельных компонентов защитная схема обычно имеет точность порядка ±20%. Мне также нужно следить за током, потребляемым системой, и я очень доволен тем, что напряжение на выводе SETI позволяет это легко делать.

Заключение

Все электронные системы подвержены неисправностям из-за бросков напряжения, тока, в результате перегрева и из-за ряда других причин. Для создания работоспособной системы необходима надежная защита. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний своей системы. Или, что еще хуже, они могут столкнуться с выходом ее из строя уже на предприятии. От ошибок никто не застрахован, но не стоит рисковать, когда у вас есть выбор защитного решения.

ТОП-8 противоугонных механических устройств для автомобилей

1. Замки КПП
2. Замки капота
3. Замки рулевого вала
4. Замки зажигания
5. Замки дверей
6. Блокираторы рулевого колеса
7. Блокираторы педалей
8. Блокираторы колес

Многие автомобилисты задаются вопросом о том, как обеспечить надежную защиту от угона. С этой целью они устанавливают противоугонные механические устройства для автомобилей.

Замки КПП

Качественная механическая защита от угона минимизирует вероятность кражи машины, поскольку она доставляет автоугонщику дискомфорт в осуществлении преступления.

Механические приспособления применяются в качестве дополнительного аксессуара к автомобильной сигнализации или иммобилайзеру, даже при самостоятельном монтаже они хорошо выполняют свои задачи.

Устройства, блокирующие коробку переключения передач, относятся к наиболее важным и эффективным. Они фиксируют трансмиссию в положении заднего хода или «Parking», не разрешая преступнику завести автомобиль.

Принцип работы таких систем достаточно простой. Когда автоугонщик проникает в салон авто и даже отключает штатную сигнализацию, он сразу садится за руль, пытаясь двинуться с места. Однако любые попытки становятся безуспешными.

Замки на коробку передач часто используются совместно с другими механическими противоугонными системами и подходят для разных моделей транспортных средств.

Чтобы защита была максимальной, нужно соблюдать правила монтажа и не отклоняться от инструкции. В случае правильного монтажа, система блокирует не только рычаг КПП, но и кулису механизма переключения.

Замки капота

Механические средства защиты от угона автомобиля могут блокировать и капот. Они предотвращают доступ к подкапотному пространству, тем самым запрещая преступнику отключить аккумулятор или запустить двигатель.

Специалисты рекомендуют совмещать замки с общей сигнализационной системой и иммобилайзером. Такие приспособления хорошо дополняют друг друга и усиливают степень защиты.

Поскольку под капотом находятся все ключевые узлы и механизмы транспортного средства, первое, что попытаются сделать угонщики при отсутствии возможности залезть в салон — открыть капот. Иногда они лезут туда с целью кражи аккумулятора, двигателя или другой недешевой системы. Поэтому защита капота — важнейший этап в обеспечении безопасности авто.

На рынке предлагаются всевозможные модификации и гибридные разновидности. В зависимости от принципа работы они разделяются на механические и электромеханические варианты. Обе разновидности служат в роли штатного или дополнительного замка.

Специфика их действия заключается в следующих пунктах:

1. В подкапотном пространстве размещается металлический рукав. Один его конец находится в салоне, а другой — в ригеле запорного замка.
2. Задача металлорукава заключается в защите механического тросика, позволяющего открывать капот из салона.
3. Один конец тросика фиксируется к ригелю, а второй — к цилиндру личинки замка.

Если владельцу авто нужно ограничить доступ к капоту, ему достаточно нажать на цилиндр личинки. Из-за этого происходит смещение тросика, воздействующего на ригель замка. Последний элемент блокирует скопу, закрепленную на капоте, а капот плотно прилегает к основному кузову.

К плюсам механических устройств следует отнести:

• Простую конструкцию и отсутствие сложностей при самостоятельном монтаже.
• Высокую степень надежности и прочность.
• Отсутствие уязвимости к взлому с помощью электронных код-грабберов и прочих хитроумных приспособлений.

Также у устройства имеются недостатки. В первую очередь, это ограниченный набор функций и частое закисание тросика при редкой эксплуатации. Еще механические приспособления не способны совмещаться с электронными деталями и неудобны в использовании. Их стоимость часто превышает стоимость лучших противоугонных устройств для автомобилей с электронной «начинкой».

Замки рулевого вала

Замки рулевого вала работают по простому принципу. Они ограничивают движение руля путем фиксации его в одном положении без возможности вращения. Конструктивно они представляют собой штыревую муфту из прочного металла, которая прикрепляется к валу руля в области педалей. В качестве фиксирующего элемента используется металлический штырь с замком и фиксатором.

Это механическое противоугонное устройство характеризуется высокой степенью надежности и долговечностью. Установите его на своем автомобиле — и забудьте о риске угона машины преступниками.

Замки зажигания

Механический замок зажигания позволяет контролировать подачу питания к важным системам транспортного средства. Основная его задача — защита автомобиля от угона злоумышленниками путем ограничения электроснабжения.

Еще узел препятствует быстрой разрядке АКБ при пребывании автомобиля на парковке. Устройство механизма простое и включает в себя такие составляющие:

• Цилиндр замка.
• Электрическая группа контактов, которые замыкаются при повороте ключа.

Долгое время такие приспособления не использовались на машинах, а запуск двигателя осуществлялся с помощью поворота двигателя кривым ключом. Стартер функционирует по подобным принципам и поворачивает двигатель за маховик.

В зависимости от исполнения замки зажигания оснащаются 2-4 положениями переключения. Они определяют тип систем и аксессуаров, которые подключаются к питанию.

Наличие подобного механизма в штатной системе защиты авто обеспечивает повышенную степень безопасности и предотвращает несанкционированный доступ к машине.

Замки дверей

Механические противоугонные средства в виде замков дверей предоставляют собой важное устройство, обеспечивающее автоматическое открытие и закрытие дверей. Они защищают автомобиль от несанкционированного доступа, усложняя преступникам возможность забраться в салон.

Такие аксессуары являются полезным дополнением к электронным системам. В зависимости от принципа работы блокираторы бывают универсальными и адаптированными под разные модели автомобилей.

По способу работы они разделяются на три группы:

• Предотвращающие проникновение в салон.
• Предотвращающие движение транспортного средства.
• Ограничивающие возможность управления машиной.

Конструктивно блокиратор представляет собой небольшой штырь, установленный в двери, который работает через брелок. При правильном монтаже этот механизм становится высокоэффективным средством защиты. Но кроме дверей, необходимо защищать и окна, поскольку они тоже являются уязвимым к взлому местом.

Блокираторы рулевого колеса

Несмотря на большое разнообразие электронных систем и приспособлений, механические блокираторы руля продолжают пользоваться спросом. Несмотря на отсутствие 100% гарантии защиты авто, они доставляют злоумышленнику ряд трудностей при угоне машины.

В зависимости от принципа действия механизмы разделяются на несколько групп:

• Блокиратор рулевого колеса.
• Блокиратор оси руля.
• Блокиратор механизма руля.

Представители первой группы фиксируются на руле, ограничивая его ось и колесо. В случае поворота противоположный конец соприкасается с торпедой или лобовым стеклом, предотвращая его вращение.

Процесс монтажа механизма занимает не больше нескольких секунд, а степень защиты достаточно высокая.

Блокираторы оси размещаются в области педалей и не доставляют дискомфорта при управлении транспортным средством. В закрытом состоянии замок упирается в корпус или педали. Устанавливая такой механизм, не приходится жертвовать целостностью важных элементов в салоне или внешним видом интерьера.

Устройства, которые фиксируются на механизме руля, предназначаются для разных моделей машин и размещаются в штатных местах. В базовом комплекте присутствует 3 ключа.

Блокираторы педалей

В поисках эффективных МПУ нужно обратить внимание на средства блокировки педалей. Они относятся к списку самых старых систем защиты автомобиля от угона, которые ограничивают движение педалей. Принцип работы достаточно простой и подразумевает фиксацию механизмов в верхнем крайнем положении. Механический орган устанавливают на педали сцепления и соединяют с замком. В рабочем состоянии скоба ограничивающего элемента соединяется с кузовными деталями, а стержень с замком препятствует переключению передач. Монтируя этот прибор, можно остановить работу педали газа.

Передовые модели таких блокираторов поддерживают комбинированную блокировку руля и педалей, запрещая злоумышленникам управлять транспортным средством. Замок двигается по направляющей, поэтому он подходит для разных моделей машин.

К преимуществам комбинированных приспособлений относят:

• Простоту эксплуатации.
• Сохранение защиты при нулевом уровне заряда АКБ.
• Отсутствие необходимости устанавливать разные направляющие и дополнительные узлы.
• Универсальное назначение. Один узел подходит для разных моделей авто.

Но есть у блокираторов педалей и недостатки. Одним из самых значимых является низкое качество сборки, поскольку большинство деталей производится в Китае.

Чтобы распилить механизм, достаточно задействовать ножовку по металлу.

Еще автовладельцы выделяют такие слабые стороны:

• Перекусить элемент, ограничивающий рулевое колесо и педали, несложно. Если автомобили оснащаются регулируемой рулевой колонкой, водителям приходится постоянно опускать ее в нижнее положение. Если не сделать это, механизм можно будет снять за пару секунд. При наличии регулируемых педалей, их оставляют в верхнем положении.
• Устанавливая блокиратор на педаль тормоза, необходимо дополнительно ограничить доступ к стояночному тормозу. В противном случае авто будет угнано при минимальной скорости, после чего преступник распилит блокиратор.
• Если автомобиль обладает АКПП, его можно перемещать на холостых оборотах.

Механические приспособления не славятся высокой степенью надежности, поэтому основная их роль — дополнение к штатным автомобильным системам защиты.

Блокираторы колес

Механические противоугонки во многом уступают электронным аналогам, однако многие водители продолжают устанавливать их на своих автомобилях. Они аргументируют это неплохой эффективностью и демократичной ценой. При грамотном совмещении механических органов с электронными транспортное средство будет надежно защищено от несанкционированного доступа и угона. Если говорить о блокираторах колес, то они обладают массой преимуществ. В их числе:

• Простота монтажа и самостоятельной эксплуатации. Чтобы выполнить монтаж механической защиты от угона, не нужно обладать особыми навыками или знаниями. Эта задача решается без помощи специалистов.
• Доступная стоимость. Из-за низкой цены механические органы становятся доступными для рядовых владельцев авто.
• Отсутствие зависимости от электроснабжения.
• Отсутствие уязвимости к электронным код-грабберам и прочим обходчикам блокировки.
• Большой срок службы без необходимости профилактики и обслуживания.

В рейтинге самых популярных блокираторов находятся модели, которые фиксируются к резине. В народе их называют «крабами» и ценят за счет универсальности. Из минусов таких приспособлений выделяют простоту демонтажа с помощью спуска воздуха из колеса. Еще они обладают большим весом в 10 кг, что усложняет процесс самостоятельной остановки.

Следующий тип — блокираторы дисков. На рынке предлагается ограниченный выбор этих устройств, а их работоспособность определяется размерами дисков.

Спросом пользуются механизмы, фиксирующие вентиляционные отверстия дисков. За счет универсальности, уменьшенного веса и простоты монтажа такие варианты превосходят 2 предыдущих типа. К основным плюсам этих устройств относят отсутствие жесткого крепления, а к минусам — возможность получения доступа к крепежным шпилькам.

Использовать механические противоугонные устройства для автомобилей в качестве основной системы защиты нецелесообразно. Но в качестве дополнения они показывают себя с лучшей стороны.

https://www.terraelectronica.ru/news/5929
https://autotuning.expert/avtosignalizatsiya/protivougonnye-mehanicheskie-ustroystva-dlya-avtomobiley.html