Електронні компоненти і системи 
В автомобильной электронике должна быть предусмотрена защита от изменения полярности напряжения источника питания, которая может произойти при замене аккумулятора. Традиционные способы защиты оказываются либо слишком сложными, либо приводят к уменьшению напряжения питания электронных устройств, что может повлиять на их работоспособность при минимальном напряжении аккумулятора. В последнее время все большее распространение получают схемы защиты с использованием полимерных компонентов с положительным температурным коэффициентом сопротивления (РРТС-компонентов).
Основным недостатком схемы с последовательно включенным защитным диодом (рис. 1) является большое падение напряжения на нем (от 0.7 до 1 В).
Например, при токе нагрузки порядка 20 А бесполезно рассеиваемая мощность составит более 14 Вт.
Кроме того, при минимальном напряжении аккумулятора это может привести к ухудшению работы устройств управления двигателем, а также уменьшению выходной мощности усилителей. Допустимый ток диодов должен быть не менее тока нагрузки. При токах нагрузки более 1 А использование диодов становится экономически нецелесообразным.
Рис. 1. Типовая схема защиты электронных устройств
Следует также учитывать способность диодов накапливать некоторое количество заряда. При отключении старого аккумулятора и подключении нового этот заряд может привести к появлению короткого выброса напряжения на нагрузке, небезопасного для нее.
Компоненты с положительным температурным коэффициентом сопротивления изготавливаются на основе композита из полукристаллического полимера и проводящих частиц. При нормальной температуре эти частицы, контактируя между собой, образуют проводящую структуру с малым сопротивлением. Если же температура превысит пороговую для данного компонента, полимер становится аморфным. Контакт между частицами нарушается и сопротивление компонента резко увеличивается.
Будучи включенным последовательно с нагрузкой, такой компонент в случае возникновения неисправности препятствует увеличению тока через него. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока не будет устранена неисправность.
Использование РРТС-компонентов вместо последовательно включенных диодов (рис. 2) позволяет уменьшить потери напряжения на защитных элементах до величины около 0.1 В.
Рис. 2. Схема защиты с использованием РРТС-компонента
Для электронных устройств, в которых для управления током нагрузки используются мощные полевые (MOSFET) транзисторы (рис. 3, а), перемена полярности напряжения питания приводит к протеканию тока через внутренние диоды этих транзисторов и нагрузку (рис. 3, b). Это может привести к выходу из строя транзисторов из-за перегрева, так как падение напряжения на диодах примерно в 5 раз больше, чем на открытых транзисторах. Попытки увеличить размеры радиатора для предотвращения перегрева влекут за собой увеличение размеров и веса, а также удорожание изделия. Даже полевой транзистор со встроенной защитой от перегрева (т. наз., TEMFET) не застрахован от повреждения, так как его схема ограничения то- ка стока путем ограничения напряжения на затворе в этом случае не действует.
Рис. 3. Схема включения нагрузки c применением полевого транзистора (а) и эквивалентная схема при перемене полярности напряжения питания (b)
Включение РРТС-компонента последовательно с нагрузкой в сочетании с шунтирующим ее диодом обеспечивает эффективную защиту управляющих транзисторов без увеличения размеров радиатора. И, что не менее важно, в этом случае при перемене полярности напряжения питания ток через нагрузку не протекает.
При коммутации индуктивной нагрузки параллельно ей обычно включают защитный диод (рис. 4, a). Если в качестве коммутирующего элемента используется полевой транзистор, имеющий внутренний диод, то при перемене полярности питающего напряжения источник питания оказывается нагруженным на два последовательно включенных диода (рис. 4, b). В этом случае вместо последовательно включенного диода (рис. 4, с) можно использовать ту же схему из последовательно включенного РРТС-компонента и шунтирующего диода (рис. 4, d).
Рис. 4. Схемы устройств управления индуктивной нагрузкой и способы их защиты: включение транзисторов в цепь индуктивной нагрузки с шунтирующим диодом (а), эквивалентная схема цепей рис. 4, а при перемене полярности напряжения питания (b), схема защиты с помощью диодов (с), схема защиты с помощью РРТС-компонентов (d)
Через включенный последовательно с нагрузкой диод протекает весь ток нагрузки.
В отличие от этого через шунтирующий диод протекает ток лишь при перемене полярности напряжения питания. В первый момент его значение достигает максимума, обеспечивая переход РРТС-компонента в высокоимпедансное состояние. Длительность импульса тока не превышает нескольких миллисекунд, после чего ток уменьшается до значения, поддерживающего высокоимпедансное состояние РРТС-компонента. Поэтому размеры и стоимость шунтирующего диода могут быть невелики.
Для реверсирования двигателей постоянного тока применяют схему, известную как Н-мост (рис. 5, а).
Для напряжения обратной полярности эта схема представляет собой мост из четырех диодов, включенных как показано на рис 5, b. Для защиты схемы достаточно включить в цепь питания РРТС-компонент (рис. 5, с). В качестве шунтирующих диодов в этом случае использованы внутренние диоды транзисторов (рис. 5, d).
Рис. 5. Схемы управления коллекторными двигателями и способы их защиты: типовая схема Н-моста (а), эквивалентная схема Н-моста при перемене полярности напряжения питания (в), схема защиты Н-моста с помощью РРТС-компонента (с), эквивалентная схема цепи рис. 5, с при изменении полярности напряжения (d)
Возрастание мощности, потребляемой автомобильной электроникой, привело к необходимости разработки новых источников питания, которые со временем заменят существующие с середины 50-х годов 12-вольтовые аккумуляторы. Согласно стандарту PowerNet предельные напряжения этих источников будут втрое превышать напряжение существующих сегодня источников. Для 12-вольтовых изделий в новых стандартах определены более узкие допуски.
Существующие сегодня устройства малой мощности будут использоваться еще несколько лет совместно с более мощными устройствами с напряжением питания 42 В. Опасаясь расходов при переходе на новые источники питания, производители используют любую возможность уменьшения мощности потребления автомобильной электроники.
Одним из способов уменьшения потребляемой мощности является переход на бесколлекторные электродвигатели. Они лишены недостатков коллекторных двигателей (износа щеток и повышенного уровня электромагнитных помех). Схема управления трехфазным двигателем похожа на схему Н- моста, однако имеет не две, а три ветви. Поэтому для ее защиты от перемены полярности напряжения питания можно использовать ту же схему, что и для Н-моста.
Применение РРТС-компонентов позволит уменьшить потребляемую мощность и стоимость электронных устройств автомобилей, позволив отложить пере- ход к новым источникам питания еще на несколько лет.
