مهندسان PCBA اغلب از چه روش هایی برای محافظت از مدارها استفاده می کنند؟

وسایل حفاظتیبرای محافظت از مدارها و تجهیزات در برابر قطع برق یا آسیب های دیگر استفاده می شود. در اینجا چندین نوع متداول از وسایل حفاظتی و توضیحات آنها آورده شده است:

1. دیود

دیود یک وسیله الکترونیکی است که برای کنترل جهت جریان جریان استفاده می شود. در مدارها، دیودها اغلب برای جلوگیری از جریان معکوس به داخل یا محافظت از سایر دستگاه ها از اضافه ولتاژ استفاده می شوند.

دیود تنظیم کننده ولتاژ که به عنوان تنظیم کننده ولتاژ یا دیود زنر نیز شناخته می شود، دیودی است که به طور خاص طراحی شده است که برای ارائه یک خروجی ولتاژ پایدار استفاده می شود.

ویژگی دیود تنظیم کننده ولتاژ، ولتاژ شکست معکوس آن (ولتاژ زنر) است. هنگامی که ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست خاص خود فراتر رود، دیود تنظیم کننده ولتاژ وارد حالت شکست معکوس شده و جریان را هدایت می کند. در مقایسه با دیودهای معمولی، دیودهای تنظیم کننده ولتاژ با دقت طراحی شده اند تا یک ولتاژ پایدار در ناحیه شکست معکوس حفظ کنند.

اصل کار یک دیود تنظیم کننده ولتاژ بر اساس اثر شکست ولتاژ است. هنگامی که ولتاژ کمتر از ولتاژ شکست معکوس است، دیود یک ولتاژ پایدار را در دو سر خود حفظ می کند و به جریان معکوس اجازه می دهد تا از آن عبور کند. این مشخصه دیود تنظیم کننده ولتاژ را قادر می سازد تا یک ولتاژ مرجع پایدار در یک مدار ارائه دهد یا ولتاژ ورودی را در یک مقدار مشخص تثبیت کند.

دیودهای زنر معمولاً در موارد زیر استفاده می شوند:

1. تنظیم ولتاژ: دیودهای زنر می توانند به عنوان تنظیم کننده ولتاژ در مدارها برای تثبیت ولتاژ ورودی در یک ولتاژ خروجی خاص استفاده شوند. این برای وسایل الکترونیکی و مدارهایی که نیاز به ولتاژ پایدار دارند بسیار مهم است.

2. ولتاژ مرجع: دیودهای زنر می توانند به عنوان منابع ولتاژ مرجع در مدارها استفاده شوند. با انتخاب دیود زنر مناسب می توان یک ولتاژ مرجع ثابت برای کالیبراسیون و مقایسه سیگنال های دیگر تهیه کرد.

3. تنظیم ولتاژ: از دیودهای زنر می توان برای عملکردهای تنظیم ولتاژ در مدارها نیز استفاده کرد. با کنترل جریان دیود زنر می توان مقدار ولتاژ در مدار را تنظیم کرد تا به تابع تنظیم ولتاژ مورد نظر دست یافت.

انتخاب دیودهای زنر به ولتاژ پایدار و جریان عملیاتی مورد نیاز بستگی دارد. آنها ولتاژهای شکست و ویژگی های توان متفاوتی دارند، بنابراین باید بر اساس کاربردها و الزامات خاص هنگام انتخاب دیودهای زنر ارزیابی شوند.

دیودهای زنر دیودهایی با طراحی خاص هستند که می توانند خروجی های ولتاژ پایداری را ارائه دهند. آنها به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی برای عملکردهایی مانند تنظیم ولتاژ، ولتاژ مرجع و تنظیم ولتاژ استفاده می شوند.

2. واریستور اکسید فلز (MOV)

MOV وسیله ای است که برای محافظت از اضافه ولتاژ استفاده می شود. از ذرات اکسید فلزی تشکیل شده است که به طور مساوی در یک ماتریس سرامیکی توزیع شده اند، که وقتی ولتاژ از مقدار نامی خود فراتر رود می تواند رسانا شود و در نتیجه انرژی اضافه ولتاژ را جذب کرده و از سایر دستگاه های موجود در مدار محافظت کند.

مشخصه MOV مشخصات مقاومت غیرخطی آن است. در محدوده ولتاژ کاری معمولی، MOV حالت مقاومت بالایی از خود نشان می دهد و تقریباً هیچ تأثیری بر مدار ندارد. با این حال، هنگامی که ولتاژ به طور ناگهانی افزایش می یابد تا از ولتاژ نامی خود بیشتر شود، MOV به سرعت به حالت مقاومت پایین تغییر می کند تا انرژی اضافه ولتاژ را جذب کند و آن را به زمین یا سایر مسیرهای امپدانس پایین هدایت کند.

اصل کار MOV بر اساس اثر وریستور است. هنگامی که ولتاژ از ولتاژ نامی خود بیشتر می شود، قدرت میدان الکتریکی بین ذرات اکسید بزرگتر می شود، به طوری که مقاومت بین ذرات کاهش می یابد. این MOV را قادر می‌سازد تا ظرفیت جریان بسیار بالایی را ارائه دهد و به طور موثر از سایر مدارها و تجهیزات در برابر آسیب‌های اضافه ولتاژ محافظت کند.

وریستورهای اکسید فلز معمولاً در موارد زیر استفاده می شوند:

1. حفاظت از اضافه ولتاژ: MOV عمدتا برای حفاظت از اضافه ولتاژ استفاده می شود تا از تجاوز ولتاژ از مقدار نامی که دستگاه یا مدار می تواند تحمل کند جلوگیری کند. هنگامی که یک وضعیت اضافه ولتاژ رخ می دهد، MOV به سرعت پاسخ می دهد و روشن می شود و ولتاژ اضافی را به زمین یا سایر مسیرهای امپدانس پایین هدایت می کند تا از سایر اجزای حساس محافظت کند.

2. حفاظت از ولتاژ: MOV ها معمولا در خطوط برق و خطوط ارتباطی برای محافظت از تجهیزات در برابر نوسانات برق (جهش های ولتاژ) استفاده می شوند. آنها قادر به جذب و سرکوب پیک های ولتاژ گذرا هستند و از آسیب احتمالی تجهیزات جلوگیری می کنند.

3. حفاظت از ولتاژ: MOV ها همچنین به طور گسترده در محافظ های برق برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات الکترونیکی و مدارهای ناشی از برخورد صاعقه، نوسانات برق و سایر تداخل های الکترومغناطیسی استفاده می شوند. آنها قادر به جذب و پراکندگی انرژی موج هستند و از تجهیزات در برابر اضافه ولتاژهای گذرا محافظت می کنند.

انتخاب MOV مناسب به ولتاژ نامی مورد نیاز، حداکثر ظرفیت جریان و زمان پاسخ بستگی دارد. ولتاژ نامی MOV باید کمی بیشتر از حداکثر ولتاژ عملیاتی مدار محافظت شده باشد، در حالی که حداکثر ظرفیت جریان باید الزامات سیستم را برآورده کند. زمان پاسخ باید به اندازه کافی سریع باشد تا از پاسخ سریع به اضافه ولتاژ اطمینان حاصل شود.

وریستورهای اکسید فلزی قطعاتی هستند که برای حفاظت از اضافه ولتاژ استفاده می شوند که انرژی اضافه ولتاژ را جذب کرده و از سایر مدارها و تجهیزات در برابر آسیب محافظت می کنند. آنها نقش مهمی در زمینه هایی مانند حفاظت از اضافه ولتاژ، حفاظت از نوسانات و حفاظت از نوسانات دارند.

3. سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS)

سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS) یک دستگاه الکترونیکی است که برای سرکوب اضافه ولتاژ گذرا استفاده می شود. می تواند به سرعت پاسخ دهد و انرژی اضافه ولتاژ را جذب کند و می تواند محافظت موثری را در هنگام تغییر ناگهانی ولتاژ یا ولتاژ گذرا ایجاد کند و از تجاوز ولتاژ از آستانه تعیین شده جلوگیری کند.

اصل کار دستگاه های TVS بر اساس اثر ولتاژ شکست است. هنگامی که یک اضافه ولتاژ گذرا در مدار رخ می دهد، دستگاه TVS به سرعت به حالت امپدانس پایین تغییر می کند و انرژی اضافه ولتاژ را به زمین یا سایر مسیرهای امپدانس پایین هدایت می کند. با جذب و پخش انرژی اضافه ولتاژ، دستگاه TVS می تواند نرخ افزایش ولتاژ را محدود کرده و از سایر اجزای حساس محافظت کند.

دستگاه های TVS معمولاً از لوله های تخلیه گاز (Gas Discharge Tube، GDT) یا دیودهای کاربید سیلیکون (سیلیکون کاربید دیود، دیود SiC) تشکیل شده اند. لوله های تخلیه گاز یک مسیر تخلیه بر اساس گاز را زمانی که ولتاژ بیش از حد بالا است تشکیل می دهند، در حالی که دیودهای کاربید سیلیکون از خواص ویژه مواد کاربید سیلیکون برای ایجاد یک مسیر رسانا در زیر ولتاژ شکست استفاده می کنند.

سرکوبگرهای ولتاژ گذرا معمولاً در موارد زیر استفاده می شوند:

1. حفاظت از ولتاژ: دستگاه های TVS عمدتاً برای محافظت در برابر نوسانات استفاده می شوند تا از اضافه ولتاژ ناشی از اصابت صاعقه، نوسانات برق، جستجوی برق و سایر تداخل های الکترومغناطیسی جلوگیری شود. آنها می توانند پیک های ولتاژ گذرا را جذب و سرکوب کنند تا مدارها و تجهیزات را از آسیب محافظت کنند.

2. حفاظت از خطوط ارتباطی: دستگاه های TVS به طور گسترده در خطوط ارتباطی برای محافظت از تجهیزات در برابر جستجوهای برق و تداخل الکترومغناطیسی استفاده می شود. آنها می توانند به سرعت پاسخ دهند و اضافه ولتاژهای گذرا را برای محافظت از عملکرد پایدار تجهیزات ارتباطی جذب کنند.

3. حفاظت از خطوط برق: از دستگاه های TVS نیز برای محافظت از خطوط برق استفاده می شود تا از آسیب رساندن به تجهیزات منبع تغذیه در جستجوی برق و سایر رویدادهای اضافه ولتاژ جلوگیری شود. آنها می توانند انرژی اضافه ولتاژ را جذب و پراکنده کنند تا از عملکرد عادی تجهیزات منبع تغذیه محافظت کنند.

انتخاب دستگاه TVS مناسب به ولتاژ نامی مورد نیاز، حداکثر ظرفیت جریان و زمان پاسخ بستگی دارد. ولتاژ نامی دستگاه TVS باید کمی بیشتر از حداکثر ولتاژ کاری مدار مورد حفاظت باشد و حداکثر ظرفیت جریان باید الزامات سیستم را برآورده کند. زمان پاسخ باید به اندازه کافی سریع باشد تا از سرکوب به موقع اضافه ولتاژهای گذرا اطمینان حاصل شود.

سرکوبگرهای ولتاژ گذرا نقش مهمی در زمینه حفاظت از نوسانات، حفاظت از خطوط ارتباطی و حفاظت از خطوط برق دارند.

4. فیوز

فیوز یک قطعه الکترونیکی رایج است که برای محافظت از مدارها و دستگاه ها در برابر آسیب های ناشی از جریان اضافه استفاده می شود. این یک وسیله حفاظت غیرفعال است که با قطع مدار از عبور جریان بیش از حد جلوگیری می کند.

فیوز معمولاً از یک سیم یا سیم نازک با جریان شکست کم ساخته می شود. هنگامی که جریان در مدار از جریان نامی فیوز بیشتر شود، رشته داخل فیوز گرم شده و ذوب می شود و جریان جریان را قطع می کند.

ویژگی های اصلی و اصول کار فیوزها به شرح زیر است:

1. جریان نامی: جریان نامی فیوز به حداکثر مقدار جریانی که می تواند به طور ایمن تحمل کند اشاره دارد. هنگامی که جریان از جریان نامی بیشتر شود، فیوز ذوب می شود تا جریان جریان را متوقف کند.

2. زمان دمیدن: زمان دمیدن فیوز به زمانی از زمانی که جریان بیشتر از جریان نامی است تا زمان دمیدن آن اشاره دارد. زمان دمیدن به طراحی و ویژگی های فیوز بستگی دارد که معمولاً بین چند میلی ثانیه تا چند ثانیه است.

3. ظرفیت شکست: ظرفیت شکست به حداکثر جریان یا انرژی اطلاق می شود که یک فیوز می تواند با خیال راحت بشکند. ظرفیت شکست فیوز باید با بار مدار و جریان اتصال کوتاه مطابقت داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که جریان می تواند به طور موثر در شرایط خطا قطع شود.

4. نوع: انواع فیوزها از جمله سریع الاثر، تاخیر زمانی، ولتاژ بالا و غیره وجود دارد.

وظیفه اصلی فیوز ایجاد حفاظت در برابر اضافه بار در مدار است. هنگامی که جریان در مدار به طور غیر عادی افزایش می یابد که ممکن است باعث خرابی مدار یا آسیب به تجهیزات شود، فیوز به سرعت منفجر می شود و جریان جریان را قطع می کند و در نتیجه مدار و تجهیزات را از آسیب محافظت می کند.

هنگام انتخاب فیوز مناسب، عواملی مانند جریان نامی مدار، جریان اتصال کوتاه، ولتاژ نامی و شرایط محیطی باید در نظر گرفته شوند. انتخاب صحیح فیوز می تواند ایمنی و قابلیت اطمینان مدار را تضمین کند و محافظت موثر در بارگذاری اضافی را فراهم کند.

5. ترمیستور ضریب دمای منفی (ترمیستور NTC)

ترمیستور ضریب دمای منفی یک قطعه الکترونیکی است که با افزایش دما مقدار مقاومت آن کاهش می یابد.

ترمیستورهای NTC معمولاً از اکسیدهای فلزی یا مواد نیمه هادی ساخته می شوند. در ساختار شبکه ای ماده، ناخالصی های خاصی دوپ می شود که در حرکت الکترون ها در شبکه اختلال ایجاد می کند. با افزایش دما، انرژی الکترون‌ها در ماده حساس به دما افزایش می‌یابد و برهمکنش بین الکترون‌ها و ناخالصی‌ها ضعیف می‌شود و در نتیجه سرعت مهاجرت و هدایت الکترون‌ها افزایش می‌یابد و مقدار مقاومت کاهش می‌یابد.

ویژگی ها و کاربردهای ترمیستور NTC عبارتند از:

1. سنسور دما: از آنجایی که مقدار مقاومت ترمیستورهای NTC با دما نسبت معکوس دارد، به طور گسترده ای به عنوان سنسور دما مورد استفاده قرار می گیرند. با اندازه گیری مقدار مقاومت می توان تغییر دمای محیط را تعیین کرد.

2. جبران دما: ترمیستورهای NTC را می توان در مدارهای جبران دما استفاده کرد. با توجه به این که مقدار مقاومت آن با دما تغییر می کند، می توان آن را به صورت سری یا موازی با سایر قطعات (مانند ترمیستورها و مقاومت ها) متصل کرد تا به عملکرد پایدار مدار در دماهای مختلف دست یافت.

3. کنترل دما: ترمیستورهای NTC می توانند نقش مهمی در مدارهای کنترل دما داشته باشند. با نظارت بر تغییر مقدار مقاومت، می توان عملکرد عنصر گرمایش یا المنت خنک کننده را برای حفظ یک حالت پایدار در محدوده دمایی خاص کنترل کرد.

4. حفاظت از منبع تغذیه: ترمیستورهای NTC همچنین می توانند برای محافظت از منبع تغذیه استفاده شوند. در مدارهای منبع تغذیه می توان از آنها به عنوان محافظ جریان اضافه استفاده کرد. هنگامی که جریان از یک آستانه خاص فراتر رود، به دلیل افت مقدار مقاومت، می توانند جریان جریان را محدود کرده و منبع تغذیه و سایر مدارها را از آسیب ناشی از جریان بیش از حد محافظت کنند.

به طور خلاصه ترمیستورهای NTC اجزایی حساس به حرارت با ضریب دمایی منفی هستند که با افزایش دما مقدار مقاومت آنها کاهش می یابد. آنها به طور گسترده ای در سنجش دما، جبران دما، کنترل دما و حفاظت از منبع تغذیه استفاده می شوند.

6. ضریب دمای مثبت پلیمری (PPTC)

فیوزهای الکترونیکی PPTC نیز یک وسیله حفاظتی در برابر جریان بیش از حد هستند. آنها مقاومت کمی دارند، اما زمانی که جریان از مقدار نامی تجاوز می کند، یک اثر حرارتی رخ می دهد که باعث افزایش مقاومت می شود و جریان جریان را محدود می کند. آنها معمولاً به عنوان فیوزهای قابل تنظیم مجدد یا وسایل حفاظتی در برابر جریان اضافه استفاده می شوند. اجزای PPTC از مواد پلیمری خاص ساخته شده اند و دارای ویژگی مقاومتی با ضریب دمایی مثبت هستند.

مقاومت اجزای PPTC معمولاً در دمای اتاق کم است و اجازه می دهد جریان در قطعه بدون افت ولتاژ قابل توجه جریان یابد. با این حال، هنگامی که یک وضعیت اضافه جریان رخ می دهد، جزء PPTC به دلیل افزایش جریان عبوری از آن گرم می شود. با افزایش دما، مقاومت مواد پلیمری به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

ویژگی کلیدی مولفه PPTC توانایی آن در محدود کردن جریان جریان در شرایط خطا است. هنگامی که جریان از آستانه نامی فراتر رود، جزء PPTC گرم می شود و مقاومت آن به سرعت افزایش می یابد. این حالت مقاومت بالا به عنوان یک فیوز قابل تنظیم مجدد عمل می کند و به طور موثر جریان را برای محافظت از مدار و اجزای متصل محدود می کند.

هنگامی که شرایط خطا حذف شد و جریان به زیر یک آستانه مشخص می‌رسد، جزء PPTC خنک می‌شود و مقاومت آن به مقدار پایین‌تری باز می‌گردد. این ویژگی قابل تنظیم مجدد، اجزای PPTC را با فیوزهای سنتی متفاوت می کند و پس از خاموش شدن نیازی به تعویض ندارند.

قطعات PPTC در انواع مدارها و سیستم های الکترونیکی که نیاز به حفاظت در برابر جریان اضافه دارند استفاده می شود. آنها معمولا در منابع تغذیه، بسته های باتری، موتورها، تجهیزات ارتباطی و الکترونیک خودرو استفاده می شوند. اجزای PPTC دارای مزایایی مانند اندازه کوچک، عملکرد قابل تنظیم مجدد و پاسخ سریع به رویدادهای اضافه جریان هستند.

هنگام انتخاب یک قطعه PPTC، پارامترهای مهمی باید در نظر گرفته شوند، از جمله ولتاژ نامی، جریان، و جریان نگهدارنده. ولتاژ نامی باید بیشتر از ولتاژ عملیاتی مدار باشد، در حالی که درجه جریان باید با حداکثر جریان مورد انتظار مطابقت داشته باشد. جریان نگهدارنده سطح جریانی را که المان در آن حرکت می کند و مقاومت را افزایش می دهد، مشخص می کند.

المان‌های PPTC حفاظت از جریان اضافه قابل اطمینان و قابل تنظیم مجدد را برای مدارهای الکترونیکی فراهم می‌کنند و به بهبود ایمنی و قابلیت اطمینان کمک می‌کنند.