ما هي الأساليب التي يستخدمها مهندسو PCBA غالبًا لحماية الدوائر؟

أجهزة الحمايةتستخدم لحماية الدوائر والمعدات من انقطاع التيار الكهربائي أو غيرها من الأضرار. فيما يلي عدة أنواع شائعة من أجهزة الحماية وأوصافها:

1. الصمام الثنائي

الصمام الثنائي هو جهاز إلكتروني يستخدم للتحكم في اتجاه تدفق التيار. في الدوائر، تُستخدم الثنائيات غالبًا لمنع تدفق التيار العكسي أو لحماية الأجهزة الأخرى من الجهد الزائد.

صمام ثنائي منظم الجهد، المعروف أيضًا باسم منظم الجهد أو صمام ثنائي زينر، هو صمام ثنائي مصمم خصيصًا يستخدم لتوفير خرج جهد ثابت.

ما يميز الصمام الثنائي منظم الجهد هو جهد الانهيار العكسي (جهد زينر). عندما يتجاوز الجهد العكسي جهد الانهيار المحدد، يدخل الصمام الثنائي منظم الجهد في حالة الانهيار العكسي ويقوم بتوصيل التيار. بالمقارنة مع الثنائيات العادية، تم تصميم الثنائيات المنظمة للجهد بعناية للحفاظ على جهد ثابت في منطقة الانهيار العكسي.

يعتمد مبدأ عمل الصمام الثنائي منظم الجهد على تأثير انهيار الجهد. عندما يكون الجهد أقل من جهد الانهيار العكسي، يحافظ الصمام الثنائي على جهد ثابت عبر طرفيه، مما يسمح للتيار العكسي بالتدفق من خلاله. تمكن هذه الخاصية الصمام الثنائي منظم الجهد من توفير جهد مرجعي ثابت في الدائرة أو تثبيت جهد الدخل عند قيمة محددة.

تُستخدم ثنائيات زينر بشكل شائع في التطبيقات التالية:

1. تنظيم الجهد: يمكن استخدام ثنائيات زينر كمنظمات جهد في الدوائر لتثبيت جهد الدخل عند جهد خرج محدد. وهذا مهم جدًا للأجهزة والدوائر الإلكترونية التي تتطلب جهدًا ثابتًا.

2. الجهد المرجعي: يمكن استخدام ثنائيات زينر كمصادر جهد مرجعية في الدوائر. ومن خلال اختيار صمام زينر الثنائي المناسب، يمكن توفير جهد مرجعي ثابت لمعايرة الإشارات الأخرى ومقارنتها.

3. تنظيم الجهد: يمكن أيضًا استخدام ثنائيات زينر لوظائف تنظيم الجهد في الدوائر. من خلال التحكم في التدفق الحالي لثنائي زينر، يمكن تعديل قيمة الجهد في الدائرة لتحقيق وظيفة تنظيم الجهد المطلوبة.

يعتمد اختيار ثنائيات زينر على الجهد المستقر المطلوب وتيار التشغيل. تتميز بفولتية انهيار وخصائص طاقة مختلفة، لذا يجب تقييمها بناءً على تطبيقات ومتطلبات محددة عند اختيار ثنائيات زينر.

ثنائيات زينر هي صمامات ثنائية مصممة خصيصًا يمكنها توفير مخرجات جهد ثابتة. يتم استخدامها على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية لوظائف مثل تنظيم الجهد، والجهد المرجعي، وتنظيم الجهد.

2. مكثف أكسيد المعدن (MOV)

MOV هو جهاز يستخدم للحماية من الجهد الزائد. وهو يتكون من جزيئات أكسيد المعدن الموزعة بالتساوي في مصفوفة سيراميكية، والتي يمكن أن تصبح موصلة عندما يتجاوز الجهد قيمتها المقدرة، وبالتالي تمتص طاقة الجهد الزائد وتحمي الأجهزة الأخرى في الدائرة.

ما يميز MOV هو خصائص المقاومة غير الخطية. ضمن نطاق جهد التشغيل العادي، تظهر MOV حالة مقاومة عالية وليس لها أي تأثير تقريبًا على الدائرة. ومع ذلك، عندما يزيد الجهد فجأة ليتجاوز الجهد المقدر، تتغير MOV بسرعة إلى حالة مقاومة منخفضة لامتصاص طاقة الجهد الزائد وتوجيهها إلى الأرض أو مسارات أخرى ذات مقاومة منخفضة.

يعتمد مبدأ عمل MOV على تأثير المكثف. عندما يتجاوز الجهد الجهد المقنن، تصبح شدة المجال الكهربائي بين جزيئات الأكسيد أكبر، وبالتالي تقل المقاومة بين الجزيئات. يتيح ذلك لـ MOV توفير سعة تيار عالية جدًا وحماية الدوائر والمعدات الأخرى بشكل فعال من أضرار الجهد الزائد.

تُستخدم مكثفات أكسيد المعدن بشكل شائع في التطبيقات التالية:

1. حماية الجهد الزائد: يتم استخدام MOV بشكل أساسي لحماية الجهد الزائد لمنع الجهد من تجاوز القيمة المقدرة التي يمكن للجهاز أو الدائرة تحملها. عند حدوث حالة الجهد الزائد، تستجيب MOV بسرعة ويتم تشغيلها، وتوجيه الجهد الزائد إلى الأرض أو مسارات أخرى ذات مقاومة منخفضة لحماية المكونات الحساسة الأخرى.

2. الحماية من زيادة التيار: تستخدم MOVs بشكل شائع في خطوط الكهرباء وخطوط الاتصالات لحماية المعدات من ارتفاع الطاقة (طفرات الجهد). فهي قادرة على امتصاص وقمع قمم الجهد العابر، مما يمنع المعدات من التلف المحتمل.

3. الحماية من زيادة التيار: تستخدم MOVs أيضًا على نطاق واسع في أدوات الحماية من زيادة التيار لمنع تلف المعدات والدوائر الإلكترونية الناتجة عن ضربات البرق، وارتفاع الطاقة، والتداخل الكهرومغناطيسي الآخر. فهي قادرة على امتصاص وتشتيت الطاقة المفاجئة، وحماية المعدات من الجهد الزائد العابر.

يعتمد اختيار MOV المناسب على الجهد المقنن المطلوب، والحد الأقصى للسعة الحالية، ووقت الاستجابة. يجب أن يكون الجهد المقنن لـ MOV أعلى قليلاً من الحد الأقصى لجهد التشغيل للدائرة المراد حمايتها، في حين يجب أن تلبي السعة الحالية القصوى متطلبات النظام. يجب أن يكون وقت الاستجابة سريعًا بدرجة كافية لضمان الاستجابة السريعة للجهد الزائد.

مكثفات أكسيد المعدن هي مكونات تستخدم للحماية من الجهد الزائد والتي تمتص طاقة الجهد الزائد وتحمي الدوائر والمعدات الأخرى من التلف. إنها تلعب دورًا مهمًا في مجالات مثل الحماية من الجهد الزائد والحماية من زيادة التيار والحماية من زيادة التيار.

3. مثبط الجهد العابر (TVS)

مثبط الجهد العابر (TVS) هو جهاز إلكتروني يستخدم لقمع الجهد الزائد العابر. يمكنه الاستجابة بسرعة وامتصاص طاقة الجهد الزائد، ويمكن أن يوفر حماية فعالة عندما يتغير الجهد فجأة أو يحدث جهد عابر، مما يمنع الجهد من تجاوز العتبة المحددة.

يعتمد مبدأ عمل أجهزة TVS على تأثير انهيار الجهد. عندما يحدث جهد زائد عابر في الدائرة، سيتغير جهاز TVS بسرعة إلى حالة مقاومة منخفضة، مما يوجه طاقة الجهد الزائد إلى الأرض أو مسارات أخرى ذات مقاومة منخفضة. من خلال امتصاص وتشتيت طاقة الجهد الزائد، يمكن لجهاز TVS الحد من معدل ارتفاع الجهد وحماية المكونات الحساسة الأخرى.

تتكون أجهزة TVS عادةً من أنابيب تفريغ الغاز (أنبوب تفريغ الغاز، GDT) أو ثنائيات كربيد السيليكون (Silicon Carbide Diode، SiC Diode). تشكل أنابيب تفريغ الغاز مسار تفريغ يعتمد على الغاز عندما يكون الجهد مرتفعًا جدًا، بينما تستخدم ثنائيات كربيد السيليكون الخصائص الخاصة لمواد كربيد السيليكون لتشكيل مسار موصل تحت جهد الانهيار.

تُستخدم مثبطات الجهد العابر بشكل شائع في التطبيقات التالية:

1. الحماية من زيادة التيار: تُستخدم أجهزة TVS بشكل أساسي للحماية من زيادة التيار لمنع الجهد الزائد الناتج عن ضربات الصواعق وارتفاع الطاقة وعمليات البحث عن الطاقة وغيرها من التداخلات الكهرومغناطيسية. يمكنها امتصاص وقمع قمم الجهد العابر لحماية الدوائر والمعدات من التلف.

2. حماية خط الاتصال: تستخدم أجهزة TVS على نطاق واسع في خطوط الاتصال لحماية المعدات من عمليات البحث عن الطاقة والتداخل الكهرومغناطيسي. يمكنهم الاستجابة بسرعة وامتصاص الجهد الزائد العابر لحماية التشغيل المستقر لمعدات الاتصالات.

3. حماية خط الطاقة: تُستخدم أجهزة TVS أيضًا لحماية خط الطاقة لمنع عمليات البحث عن الطاقة وأحداث الجهد الزائد الأخرى من إتلاف معدات إمداد الطاقة. يمكنها امتصاص وتشتيت طاقة الجهد الزائد لحماية التشغيل العادي لمعدات إمداد الطاقة.

يعتمد اختيار جهاز TVS المناسب على الجهد المقدر المطلوب والحد الأقصى للسعة الحالية ووقت الاستجابة. يجب أن يكون الجهد المقنن لجهاز TVS أعلى قليلاً من الحد الأقصى لجهد التشغيل للدائرة المراد حمايتها، ويجب أن تلبي السعة الحالية القصوى متطلبات النظام. يجب أن يكون وقت الاستجابة سريعًا بما يكفي لضمان قمع الجهد الزائد العابر في الوقت المناسب.

تلعب مثبطات الجهد العابر دورًا مهمًا في مجالات الحماية من زيادة التيار وحماية خطوط الاتصال وحماية خطوط الكهرباء.

4. الصمامات

المصهر هو مكون إلكتروني شائع يستخدم لحماية الدوائر والأجهزة من التلف الناتج عن التيار الزائد. إنه جهاز حماية سلبي يمنع تدفق التيار الزائد عن طريق فصل الدائرة.

عادة ما يكون المصهر مصنوعًا من سلك رفيع أو سلك ذو تيار منخفض. عندما يتجاوز التيار في الدائرة التيار المقنن للمصهر، فإن الفتيل الموجود داخل المصهر سوف يسخن ويذوب، مما يؤدي إلى قطع تدفق التيار.

الميزات الرئيسية ومبادئ العمل للصمامات هي كما يلي:

1. التصنيف الحالي: يشير التيار المقنن للمصهر إلى القيمة الحالية القصوى التي يمكن أن يتحملها بأمان. عندما يتجاوز التيار التيار المقنن، سوف يذوب المصهر لمنع تدفق التيار.

2. وقت النفخ: يشير وقت نفخ المصهر إلى الوقت الذي يبدأ عندما يتجاوز التيار التيار المقدر حتى ينفجر. يعتمد وقت النفخ على تصميم المصهر وخصائصه، ويتراوح عادةً بين بضعة أجزاء من الثانية وبضع ثوانٍ.

3. قدرة الكسر: تشير قدرة الكسر إلى الحد الأقصى للتيار أو الطاقة التي يمكن للمصهر كسرها بأمان. يجب أن تتوافق قدرة كسر المصهر مع حمل الدائرة وتيار الدائرة القصيرة لضمان إمكانية قطع التيار بشكل فعال في ظل ظروف الخطأ.

4. النوع: هناك أنواع عديدة من الصمامات، بما في ذلك سريعة المفعول، ومتأخرة الوقت، والجهد العالي، وما إلى ذلك. أنواع مختلفة من الصمامات مناسبة لسيناريوهات ومتطلبات التطبيق المختلفة.

وتتمثل المهمة الرئيسية للمصهر في توفير الحماية من الحمل الزائد في الدائرة. عندما يزيد التيار في الدائرة بشكل غير طبيعي، مما قد يتسبب في فشل الدائرة أو تلف المعدات، سينفجر المصهر بسرعة ويقطع تدفق التيار، وبالتالي حماية الدائرة والمعدات من التلف.

عند اختيار المصهر المناسب، يجب مراعاة عوامل مثل التيار المقنن للدائرة، وتيار الدائرة القصيرة، والجهد المقنن، والظروف البيئية. يمكن أن يؤدي اختيار المصهر بشكل صحيح إلى ضمان سلامة وموثوقية الدائرة وتوفير حماية فعالة من الحمل الزائد.

5. الثرمستور معامل درجة الحرارة السلبية (NTC الثرمستور)

الثرمستور ذو معامل درجة الحرارة السالبة هو مكون إلكتروني تتناقص قيمة مقاومته مع زيادة درجة الحرارة.

عادة ما تكون الثرمستورات NTC مصنوعة من أكاسيد معدنية أو مواد شبه موصلة. في البنية الشبكية للمادة، يتم تطعيم بعض الشوائب، والتي تتداخل مع حركة الإلكترونات في الشبكة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد طاقة الإلكترونات الموجودة في المادة الحساسة لدرجة الحرارة، ويضعف التفاعل بين الإلكترونات والشوائب، مما يؤدي إلى زيادة في سرعة هجرة الإلكترونات وتوصيلها وانخفاض قيمة المقاومة.

تشمل خصائص وتطبيقات الثرمستورات NTC ما يلي:

1. مستشعر درجة الحرارة: نظرًا لأن قيمة مقاومة الثرمستورات NTC تتناسب عكسيًا مع درجة الحرارة، فإنها تستخدم على نطاق واسع كأجهزة استشعار لدرجة الحرارة. ومن خلال قياس قيمة المقاومة، يمكن تحديد التغير في درجة الحرارة المحيطة.

2. تعويض درجة الحرارة: يمكن استخدام الثرمستورات NTC في دوائر تعويض درجة الحرارة. نظرًا لخاصية تغير قيمة مقاومتها مع درجة الحرارة، يمكن توصيلها على التوالي أو بالتوازي مع مكونات أخرى (مثل الثرمستورات والمقاومات) لتحقيق تشغيل مستقر للدائرة عند درجات حرارة مختلفة.

3. التحكم في درجة الحرارة: يمكن أن تلعب الثرمستورات NTC دورًا مهمًا في دوائر التحكم في درجة الحرارة. ومن خلال مراقبة التغير في قيمة المقاومة، يمكن التحكم في تشغيل عنصر التسخين أو عنصر التبريد للحفاظ على حالة مستقرة ضمن نطاق درجة حرارة محددة.

4. حماية مصدر الطاقة: يمكن أيضًا استخدام الثرمستورات NTC لحماية مصدر الطاقة. في دوائر إمداد الطاقة، يمكن استخدامها كواقيات للتيار الزائد. عندما يتجاوز التيار عتبة معينة، بسبب انخفاض قيمة المقاومة، فإنها يمكن أن تحد من تدفق التيار وتحمي مصدر الطاقة والدوائر الأخرى من الأضرار الناجمة عن التيار الزائد.

باختصار، الثرمستورات NTC عبارة عن مكونات حساسة حراريًا ذات معامل درجة حرارة سالب، والتي تنخفض قيمة مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة. يتم استخدامها على نطاق واسع في استشعار درجة الحرارة، وتعويض درجة الحرارة، والتحكم في درجة الحرارة، وحماية إمدادات الطاقة.

6. معامل درجة الحرارة الإيجابية البوليمرية (PPTC)

تعتبر الصمامات الإلكترونية PPTC أيضًا جهاز حماية من التيار الزائد. لديهم مقاومة منخفضة، ولكن عندما يتجاوز التيار القيمة المقدرة، يحدث تأثير حراري، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة، مما يحد من تدفق التيار. يتم استخدامها عادةً كصمامات قابلة لإعادة الضبط أو أجهزة حماية من التيار الزائد. مكونات PPTC مصنوعة من مواد بوليمر خاصة ولها خاصية مقاومة معامل درجة الحرارة الإيجابية.

عادة ما تكون مقاومة مكونات PPTC منخفضة في درجة حرارة الغرفة، مما يسمح للتيار بالتدفق في المكون دون انخفاض كبير في الجهد. ومع ذلك، عند حدوث حالة التيار الزائد، يسخن مكون PPTC بسبب زيادة التيار الذي يمر عبره. مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد مقاومة مادة البوليمر بشكل ملحوظ.

السمة الرئيسية لمكون PPTC هي قدرته على الحد من تدفق التيار في ظل ظروف الخطأ. عندما يتجاوز التيار العتبة المقدرة، يسخن مكون PPTC وتزداد مقاومته بسرعة. تعمل حالة المقاومة العالية هذه بمثابة صمام قابل لإعادة الضبط، مما يحد بشكل فعال من التيار لحماية الدائرة والمكونات المتصلة.

بمجرد إزالة حالة الخلل وانخفاض التيار إلى ما دون حد معين، يبرد مكون PPTC وتعود مقاومته إلى قيمة أقل. هذه الخاصية القابلة لإعادة الضبط تجعل مكونات PPTC مختلفة عن الصمامات التقليدية، ولا تحتاج إلى الاستبدال بعد التعثر.

تُستخدم مكونات PPTC في مجموعة متنوعة من الدوائر والأنظمة الإلكترونية التي تتطلب حماية من التيار الزائد. وهي تستخدم عادة في إمدادات الطاقة، وحزم البطاريات، والمحركات، ومعدات الاتصالات، وإلكترونيات السيارات. تتمتع مكونات PPTC بمزايا مثل الحجم الصغير والتشغيل القابل لإعادة الضبط والاستجابة السريعة لأحداث التيار الزائد.

عند اختيار مكون PPTC، يجب مراعاة المعلمات المهمة، بما في ذلك الجهد المقنن والتيار والتيار الثابت. يجب أن يكون الجهد المقنن أعلى من جهد التشغيل للدائرة، في حين يجب أن يتطابق التصنيف الحالي مع الحد الأقصى للتيار المتوقع. يحدد تيار التثبيت المستوى الحالي الذي ينطلق عنده العنصر ويزيد المقاومة.

توفر عناصر PPTC حماية موثوقة وقابلة لإعادة ضبط التيار الزائد للدوائر الإلكترونية، مما يساعد على تحسين السلامة والموثوقية.