مدار های حفاظتی (محافظ اضافه ولتاژ، جریان و قطبیت معکوس)

همه دستگاه های الکترونیکی به مدار های محافظ نیاز دارند. همانطور که از نام آن ها پیداست، آن ها برای محافظت از مدار در برابر جریان اضافه بار یا اتصال کوتاه یا هنگامی که منبع تغذیه معکوس به مدار متصل شده است یا ولتاژ بیش از حد استفاده می شوند. آن ها را می توان به شرح زیر طبقه بندی کرد:

حفاظت در مقابل اضافه ولتاژ

مدار شکل زیر (در شکل 1 نشان داده شده است) می تواند از دستگاه شما در برابر ولتاژ اضافی محافظت کند. در استفاده معمول، منبع تغذیه 12 ولت از طریق دیود و فیوز حفاظت معکوس به طور مستقیم به خروجی می رود. دیود زنر با مقدار بالاتر یعنی 15 ولت انتخاب شده است.  وقتی ولتاژ ورودی به 15 ولت می رسد، دیود زنر هدایت می کند و یک ولتاژ در مسیر  R2 اعمال می کند. هنگامی که این به ولتاژ تریگر SCR می رسد (کمتر از 1 ولت)، SCR یک اتصال کوتاه در ورودی ایجاد می کند، که باعث می شود فیوز بسوزد. C1 تضمین می کند که ولتاژ گذرای کوتاه مدت ناشی از تعویض گذرا باعث تحریک SCR نمی شوند. SCR و دیود زنر باید قادر به کنترل جریان هجومی ناگهانی تا زمان سوختن فیوز باشند.

شکل 2 تقریباً مدار مشابهی را نشان می دهد به جز اینکه زنر با یک زنر قابل برنامه ریزی D5 جایگزین شده است. با تغییر ولتاژ ورودی آن با R6، می توانید ولتاژ تریگر را تنظیم کنید و قابلیت تغییر بسیار بیشتری را فراهم کنید. سرانجام، شکل 3 همان مدار اضافه شده به یک رگولاتور (تنظیم کننده) ولتاژ و یک دستگاه نشان دهنده فیوز و یک تصویر از پروژه انجام شده را نشان می دهد.

شکل دیگری از اضافه ولتاژ که رخ می دهد، ولتاژ گذرای کوتاه مدت در خط انتقال برق است. به احتمال زیاد این ها در انتهای شبکه منبع تغذیه AC مشکل ایجاد می کنند. یک راه حل که اغلب استفاده می شود این است که MOV را در سراسر منبع تغذیه قرار دهید. MOV (متغیر اکسید فلز) مانند یک مقاومت با مقدار بالا (چند صد K) است که در برابر افزایش ولتاژ خیلی سریع واکنش نشان می دهد. شکل 4 را در زیر مشاهده کنید.

حفاظت در مقابل جریان بیش از حد

در شکل 5، Q8 یک ترانزیستور اصلی است که جریان از آن عبور می کند و توسط Q10 و D8 تنظیم می شود. قسمت اضافه جریان در R19 و Q9 است. اگر ولتاژ بین بیس و امیتر Q9 به 0.6V برسد، Q9 شروع به روشن شدن می کند، سپس جریان را از پایه Q8 می گیرد و باعث می شود این ترانزیستور خاموش شود. ترفند این است که R19 طراحی شود تا در 0.6 ولت جریان را قطع کند. بنابراین اگر می خواهیم در 2A قطع کنیم :

R = V / I = 0.6 / 2 = 0.3 یا 0.33Ω

همانطور که در حال حمل جریان بار کامل است، باید آن را مصرف کند، شاید از نوع 5W باشد.

توجه داشته باشید که باید پایه های اتصال را روی اجزایی که انتظار می رود در هنگام راه اندازی گرم شود نگذارید و سطح PCB را افزایش دهید. همچنین، آن را لحیم کنید تا توانایی آن ها در گرما زدگی بسیار افزایش یابد (اما این کار را با اجزای RF انجام ندهید!)

روش های دیگر حفاظت در مقابل اضافه جریان

البته دستگاه های محافظتی دیگری برای اضافه جریان مانند فیوز ها و قطع کننده های مدار برای جریان های بزرگ AC وجود دارند که شاید در منبع برق منزل شما باشد.

فیوز ها فقط سیم نازک خاصی هستند که به سرعت گرم و ذوب می شوند. دستگاه های مختلفی مانند فنر های کششی به آن ها افزوده شده است تا سوختن آن ها را کندتر کرده و اطراف سیم فیوز را پودر کنند تا از خرد شدن شیشه هنگام سوختن جلوگیری شود. فیوز ها به طور کلی 150 درصد از جریان عادی را انتخاب می کنند.

قطع کننده های مدار به تنهایی یک موضوع قابل بحث هستند. قطع کننده های مدار، کلیدهای مخصوصی هستند که به طور خودکار عمل می کنند تا در صورت جریان بیش از حد، آن را متوقف و از مدار محافظت کنند. قطع کننده های مدار اندازه های مختلفی دارند که نوع کوچک آن در مواردی مانند لوازم صنعتی خانگی، تجاری و سبک استفاده می شود، با حرارت کار می کند و حاوی دو نوار فلزی است که جریان مدار را حمل می کند و در اثر افزایش جریان، گرم شده و خم می شود. هنگامی که نیروی کافی توسط نوار دو فلزی تولید شود (به دلیل گرم شدن بیش از حد جریان نوار)، مکانیزم حرکت فعال شده و مدار متوقف می شود. قطع کننده های مدار نیز دارای یک جزء القایی کوچک هستند، بنابراین می توان از قطع کننده استفاده کرد تا در اثر اضافه بار یا اتصال کوتاه خیلی سریع، به سرعت مدار را متوقف کند.

حفاظت از قطبیت معکوس

حفاظت از قطبیت معکوس آسانترین راه برای رسیدن به این هدف است. یک دیود ساده در مسیر برق ورودی می تواند این کار را انجام می دهد. اما این دیود باید دارای مقدار مناسب جریان باشد. در شکل 6، 1N4006 دارای جریان نامی 1A و PIV (حداکثر ولتاژ معکوس) 800 ولت است، این مقادیر برای اکثر پروژه ها کافی است. دیود باعث افت ولتاژ 0.6 به 0.7 ولت می شود، اما این نباید مشکلی ایجاد کند. با این حال، اگر مداری دارید که باید در ولتاژ بسیار کمی کار کند، افت 0.6 ولت در دیود سری می تواند یک مشکل باشد. در این حالت، شکل 6 (سمت راست) یک دیود شنت را نشان می دهد.

هنگامی که ولتاژ ورودی معکوس می شود، دیود هدایت می کند، و باعث می شود فیوز بسوزد. این کار عملی است، اما باید از برخی موارد آگاه بود، از جمله اینکه دیود باید ظرفیت کامل جریان منبع را برای مدت زمان لازم برای سوختن فیوز کنترل کند و برای این کار یک دیود حداقل 5A تا 10A نیاز دارد.

حفاظت از قطبیت معکوس EMF

شکل دیگری از قطبیت معکوس وجود دارد که هنگامی اتفاق می افتد که انتظار آن را ندارید. هر زمان اندوکتانس حامل جریان خاموش شود، میدان مغناطیسی ذخیره شده در سلف نیاز به فروپاشی دارد و سعی خواهد کرد این کار را از طریق ترمینال های خود انجام دهد. نه تنها این، ممکن است صد ها ولت باشد. (شمع های اتوماتیک به سبک قدیمی اینگونه کار می کنند.) همچنین می توانید با استفاده از یک دیود معکوس در داخل اندوکتانس دستگاه خود را در مقابل این EMF محافظت کنید، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است. توجه داشته باشید که دیود باید دارای مقدار PIV بالایی داشته باشد و 1N4006 مناسب خواهد بود.

در آخر، به یاد داشته باشید که فیوز ها کند عمل می کنند. یک شوخی وجود دارد که می گوید یک ترانزیستور 50 دلاری برای محافظت از فیوز 10 سنتی معمولاً منفجر می شود!