اضافه ولتاژ و محافظت مدار

در این آموزش قصد داریم در مورد اضافه ولتاژ و محافظت مدار در برابر آن بپردازیم. در رابطه با حفاظت ورودی مدار به صورت مفصل در دوره الکترونیک کاربردی یک صحبت کرد‌ه‌ایم، در صورتی که علاقمند به یادگیری الکترونیک به صورت کاربردی هستید پیشنهاد میکنم این دوره را نیز مشاهده کنید.

قبل از اینکه وارد مبحث اضافه ولتاژ شویم لازم است یک نکته مهم را در مورد اضافه ولتاژ مدنظر داشته باشیم. اضافه ولتاژ در مدارات الکترونیکی دو نوع است:

1) اضافه ولتاژ گذار یا لحظهای

2) اضافه ولتاژ ثابت

اضافه ولتاژ لحظه‌ای مانند شکل زیر، معمولاً به دلیل نویز تجهیزات جانبی یا الکتریسیته ساکن بر روی تغذیه ایجاد میشود در حالی که اضافه ولتاژ ثابت معمولاً ناشی از خطای کاربر در استفاده از تجهیز الکتریکی است.

حفاظت مدار در برابر اضافه ولتاژ گذرا

استفاده از وریستور

یکی از معروف ترین قطعاتی که برای محافظت مدار در برابر اضافه ولتاژ گذار استفاده میشود، وریستور یا VDR است. VDR در واقع یک مقاومت متغیر با ولتاژ است. عملکرد VDR به این گونه است که وقتی ولتاژ مدار از حد مشخصی که روی بدنه VDR درج شده بیشتر شود، مقاومت VDR به شدت کاهش یافته و از مدار در برابر ولتاژ ورودی زیاد محافظت میکند.

وریستور برای اضافه ولتاژهای گذار از 1 تا 1000 میکروثانیه مفید است و در صورتی که اضافه ولتاژ ثابتی به مدار اعمال شود، جریان وریستور بسیار افزایش یافته و ممکن است وریستور ذوب شود، بسوزد یا حتی منفجر شود. به همین دلیل در مداراتی که وریستور دارند معمولاً یک فیوز نیز قرار میگیرد تا در صورت اعمال اضافه ولتاژ ثابت، فیوز جریان مدار را قطع کند. به طور مثال در تلفن از ترکیب وریستور و فیوز برای حفاظت مدار و منبع ولتاژ ورودی استفاده میشود. به همین دلیل در زمان اتصال تلفن به برق شهر، فیوز ورودی و وریستور همزمان میسوزند.

استفاده از دیود TVS

یکی دیگر از قطعات معروف در محافظت مدار در برابر اضافه ولتاژ گذرا، دیود TVS است. دیود TVS تقریباً عملکردی مشابه دیود زنر دارد. زمانی که ولتاژ دو سر دیود TVS به مقدار مشخصی برسد، ولتاژ دو سر دیود ثابت شده و جریان دیود به صورت تصاعدی افزایش می یابد. دیود TVS، همانطور که در شکل می بینید، به دو صورت AC و DC تولید میشود.

دیود TVS سرعت عملکرد بالاتری نسبت به وریستور داشته و میتواند در زمانی در حدود چند پیکو ثانیه عمل کند. این دیود معمولاً گران تر از وریستور بوده و در مداراتی با ولتاژ پایین استفاده میشود. به طور مشابه با وریستور، در صورتی که امکان اعمال اضافه ولتاژ ثابت به مدار وجود دارد باید از فیوز یا مقاومت سری استفاده گردد. البته استفاده از مقاومت سری بر روی تغذیه مدارات با جریان بالا توصیه نشده و بهتر است صرفاً بر روی پایه های دیجیتال استفاه گردد.

حفاظت در برابر اضافه ولتاژ ثابت

برای محافظت مدار در برابر اضافه ولتاژ، لازم است مداری در ورودی قرار گیرد تا بتواند در صورت افزایش سطح ولتاژ، ولتاژ ورودی مدار را کلمپ کرده یا مدار را خاموش نماید.

استفاده از رگولاتور

در صورتی که جریان ورودی مدار محدود باشد، بهترین راه محافظت مدار در برابر اضافه ولتاژ ثابت، استفاده از رگولاتور در ورودی است.

در شکل زیر یک نمونه رگولاتور که از یک مدار امیتر مشترک به همراه یک دیود زنر تشکیل شده، نشان داده شده است. در این مدار، تا زمانی که ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ دیود زنر(Vz) باشد، ولتاژ ورودی مستقیماً سر مدار قرار میگیرد ولی در صورتی که ولتاژ ورودی از ولتاژ دیود زنر بیشتر شود، زنر روشن شده و ولتاژ مدار در حد Vz-0/7 کلمپ میشود.

ایراد اصلی این مدار، تلفات زیاد آن در ولتاژهای بالا است. به طور مثال در صورتی که به یک مدار 12 ولت، ولتاژ ورودی 18 ولت اعمال شود، تلفات این مدار زیاد بود و ممکن است تلفات حرارتی زیاد ترانزیستور، سبب سوختن آن شود. خوشبختانه در اکثر مواقع ترانزیستور سوخته، به صورت مدار باز خواهد بود ولی در برخی شرایط خاص ممکن است ترانزیستور اتصال کوتاه شده و ولتاژ 18 ولت دو سر مدار قرار گیرد و سبب سوختن تراشه های حساس مدار گردد.

استفاده از SCR

همانطور که دیدیم تلفات مدار رگولاتوری میتواند زیاد بوده و در نهایت با سوختن رگولاتور، اضافه ولتاژ به مدار منتقل گردد. از آنجایی که اضافه ولتاژ ثابت، در واقع یک خطای غیر قابل قبول است. معمولاً مدارات الکترونیکی، به گونه ای طراحی میشوند تا در صورت اضافه ولتاژ ثابت، فیوز ورودی سوخته و مدار به کلی خاموش گردد.

در شکل زیر، مدار حفاظتی در برابر اضافه ولتاژ را میبینید. در این مدار با افزایش ولتاژ ورودی از ولتاژ شکست دیود زنر، دیود زنر روشن شده و سبب اعمال ولتاژ به گیت SCR میگردد. از این رو SCR روشن شده و ورودی مدار اتصال کوتاه میگردد. از آنجایی که SCR قادر است جریان زیادی را تحمل کند، فیوز ورودی قبل از اینکه SCR آسیب ببیند سوخته و مدار در برابر اضافه ولتاژ محافظت میشود.