در سیستم های الکترونیکی مدرن صنعتی و خودرویی، فناوری حفاظت مدار نقش مهمی ایفا می کند. با افزایش یکپارچگی و پیچیدگی دستگاه ها، مسائلی مانند جریان اضافی، اضافه ولتاژ، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) برجسته تر شده است. انتخاب مناسب اجزای حفاظت مدار می تواند به طور موثر طول عمر دستگاه ها را افزایش دهد و ثبات و قابلیت اطمینان سیستم را تضمین کند.

ج1. حفاظت مدار چیست؟

ج2. الزامات ویژه برای کاربردهای صنعتی و خودرویی

ج3. اجزای حفاظت مدار مشترک و کاربردهای آنها

ج4. ملاحظات طراحی برای حفاظت مدار در کاربردهای عملی

ج5. روندهای آینده: راه حل های هوشمند و یکپارچه

ج6. نتیجه

حفاظت مدار چیست؟

حفاظت مدار به اقداماتی اطلاق می شود که برای محافظت از دستگاه های الکترونیکی یا سیستم های قدرت در برابر آسیب های برگشت ناپذیر ناشی از ولتاژ غیرعادی، جریان بیش از حد، اتصال کوتاه، نوسانات و غیره انجام می شود. به عبارت ساده، حفاظت مدار به عنوان "محافظ ایمنی" دستگاه های الکترونیکی عمل می کند. از طریق اجزا یا محلول های مختلف، ناهنجاری های مدار را هدایت و جذب می کند تا از آسیب به اجزای حیاتی جلوگیری کند. اجزای رایج حفاظت مدار عبارتند از:

وریستور اکسید فلزی (MOV)

نوسانات اضافه ولتاژ را جذب می کند تا از آسیب دیدن اجزای حساس جلوگیری کند.

دیود سرکوب ولتاژ گذرا (TVS)

به سرعت به افزایش ولتاژ پاسخ می دهد و از مدار در برابر نوسانات گذرا محافظت می کند.

لوله تخلیه گاز (GDT)

شناخته شده به دلیل تحمل نوسانات بالا، معمولا در دستگاه های ارتباطی و حفاظت از انرژی صنعتی استفاده می شود.

فیوز ضریب دمای مثبت پلیمری (PPTC)

مدار را در هنگام جریان بیش از حد قطع می کند و پس از برطرف شدن خطا به طور خودکار بازیابی می شود.

الزامات ویژه برای کاربردهای صنعتی و خودرویی

در محیط های صنعتی، تجهیزات باید در برابر شرایط سخت مانند دمای بالا، رطوبت، گرد و غبار و ارتعاشات مقاومت کنند. بنابراین، اجزای حفاظتی باید دارای ویژگی هایی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، تحمل ولتاژ بالا و طول عمر طولانی باشند. در کاربردهای خودرو، قطعات الکترونیکی باید استانداردهای AEC-Q را رعایت کنند و باید در برابر ضربه، لرزش و محدوده دمایی گسترده (معمولا از -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) مقاوم باشند.

اجزای حفاظت مدار مشترک و کاربردهای آنها

در اینجا چندین جزء رایج حفاظت مدار وجود دارد:

واریستور اکسید فلز (MOV)

MOV ها معمولا برای حفاظت از اضافه ولتاژ در مدارهای الکترونیکی استفاده می شوند. هنگامی که اضافه ولتاژ رخ می دهد، MOV ولتاژ را از طریق ویژگی های غیرخطی خود به سطح خاصی محدود می کند و از آسیب به سایر اجزا جلوگیری می کند. MOV ها به ویژه در مدارهای AC استفاده می شوند.

شکل 3-1: واریستور اکسید فلز، 385 ولت

لوله تخلیه شیشه ای

لوله تخلیه شیشه ای مزایای لوله های تخلیه گاز سرامیکی را ترکیب می کند و در عین حال نیازهای ولتاژ شکست DC بالاتر را برآورده می کند. دارای ولتاژ رسانایی کم و جریان تخلیه بالا است که آن را برای محیط های سخت محافظت در برابر صاعقه مناسب می کند. به طور گسترده ای در تجهیزات خودرو و ارتباطات استفاده می شود.

دیودهای سرکوب ولتاژ گذرا (دیودهای TVS)

دیودهای TVS نقش حیاتی در حفاظت از مدار، به ویژه در محافظت از اجزای حساس دارند. سرعت پاسخ آنها بسیار سریع است (در محدوده پیکوثانیه) که آنها را قادر می سازد تا به سرعت اضافه ولتاژ را قطع کنند. در نتیجه، آنها اغلب برای محافظت از پورت ورودی/خروجی در برنامه های حیاتی انتقال داده استفاده می شوند.

لوله تخلیه گاز سرامیکی

لوله های تخلیه گاز سرامیکی یکی از رایج ترین انواع دستگاه های حفاظت از نوسانات هستند. آنها نقش مهمی در منبع تغذیه DC و حفاظت از نوسانات سیگنال دارند. ساختار آنها دارای ظرفیت حمل جریان زیاد، ظرفیت کوچک بین مراحل و مقاومت عایق بالا است که می تواند به سرعت مدار را در برابر آسیب در صورت صاعقه یا نوسانات دیگر محافظت کند.

شکل 3-4: لوله تخلیه گاز سرامیکی

فیوز ضریب دمای مثبت پلیمری (PPTC)

فیوزهای PPTC از مواد پلیمری استفاده می کنند که در صورت بروز جریان بیش از حد به سرعت مقاومت را افزایش می دهند و در نتیجه از مدار محافظت می کنند. پس از پاک شدن جریان اضافی، فیوز به حالت مقاومت کم اولیه خود باز می گردد و از نیاز به تعویض مکرر فیوز جلوگیری می کند.

ملاحظات طراحی برای حفاظت مدار در کاربردهای عملی

نوع جزء مناسب را انتخاب کنید:

قطعات با سرعت پاسخ مناسب و قابلیت جابجایی انرژی را بر اساس سناریوهای کاربردی خاص و نیازهای حفاظتی انتخاب کنید.

عوامل محیطی را در نظر بگیرید:

در محیط های صنعتی و خودرویی، تأثیر شرایط خارجی مانند دما، رطوبت و شوک مکانیکی بر عملکرد قطعات را در نظر بگیرید.

استانداردهای صنعت را برآورده کنید:

قطعات خودرو باید با استانداردهای AEC-Q100 یا AEC-Q200 مطابقت داشته باشند، در حالی که قطعات صنعتی باید گواهینامه های مرتبط با قابلیت اطمینان بالا را دریافت کنند.

طراحی زنجیره حفاظت:

از ترکیبی از اجزای حفاظتی چندگانه برای تشکیل یک زنجیره حفاظتی لایه ای استفاده کنید و قابلیت اطمینان کلی سیستم را افزایش دهید.

روندهای آینده: راه حل های هوشمند و یکپارچه

با توسعه سریع صنعت 4.0 و الکترونیک خودرو، فناوری حفاظت مدار همچنان در حال تکامل است. از یک طرف، اجزای حفاظتی هوشمند پدیدار شده اند که عملکردهای تشخیصی را برای نظارت بر وضعیت مدار در زمان واقعی و ارائه بازخورد ادغام می کنند. از سوی دیگر، راه حل های حفاظتی بسیار یکپارچه در حال افزایش هستند. راه حل های تک تراشه ای که عملکردهای حفاظتی چندگانه را ادغام می کنند، پیچیدگی طراحی مدار را کاهش می دهند و فضای PCB را ذخیره می کنند. علاوه بر این، طراحی پایدار با تمرکز بر افزایش دوام و بهره وری انرژی اجزای حفاظتی برای کاهش فرکانس جایگزینی و پشتیبانی از طراحی الکترونیکی سبز در حال تبدیل شدن به یک روند است.

نتیجه گیری

فناوری حفاظت مدار سنگ بنای اطمینان از عملکرد پایدار سیستم های صنعتی و خودرویی است. با انتخاب دقیق اجزای حفاظتی مناسب و طراحی مدارهای حفاظتی موثر، می توان ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم ها را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید. همانطور که محیط های کاربردی به طور فزاینده ای پیچیده می شوند، فناوری حفاظت از مدار آینده به سمت هوش و یکپارچگی بیشتر توسعه می یابد و پشتیبانی قوی برای طیف وسیع تری از زمینه های کاربردی ارائه می دهد.