Các kỹ sư PCBA thường sử dụng những phương pháp nào để bảo vệ mạch điện?

Thiết bị bảo vệđược sử dụng để bảo vệ các mạch và thiết bị khỏi sự cố mất điện hoặc hư hỏng khác. Dưới đây là một số loại thiết bị bảo vệ phổ biến và mô tả của chúng:

1. Điốt

Diode là một thiết bị điện tử được sử dụng để điều khiển hướng dòng điện. Trong các mạch điện, điốt thường được sử dụng để ngăn dòng điện ngược chạy vào hoặc để bảo vệ các thiết bị khác khỏi quá điện áp.

Diode ổn áp, còn được gọi là diode ổn áp hoặc diode Zener, là một diode được thiết kế đặc biệt dùng để cung cấp điện áp đầu ra ổn định.

Đặc tính của diode ổn áp là điện áp đánh thủng ngược (điện áp Zener). Khi điện áp ngược vượt quá điện áp đánh thủng cụ thể của nó, diode điều chỉnh điện áp sẽ chuyển sang trạng thái đánh thủng ngược và dẫn dòng điện. So với điốt thông thường, điốt điều chỉnh điện áp được thiết kế cẩn thận để duy trì điện áp ổn định ở vùng đánh thủng ngược.

Nguyên lý làm việc của diode ổn áp dựa trên hiệu ứng đánh thủng điện áp. Khi điện áp thấp hơn điện áp đánh thủng ngược, diode sẽ duy trì điện áp ổn định ở hai đầu của nó, cho phép dòng điện ngược chạy qua. Đặc tính này cho phép diode ổn áp cung cấp điện áp tham chiếu ổn định trong mạch hoặc ổn định điện áp đầu vào ở một giá trị cụ thể.

Điốt Zener thường được sử dụng trong các ứng dụng sau:

1. Điều chỉnh điện áp: Điốt Zener có thể được sử dụng làm bộ điều chỉnh điện áp trong mạch để ổn định điện áp đầu vào ở một điện áp đầu ra cụ thể. Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử và mạch điện yêu cầu điện áp ổn định.

2. Điện áp tham chiếu: Điốt Zener có thể được sử dụng làm nguồn điện áp tham chiếu trong mạch điện. Bằng cách chọn điốt Zener thích hợp, điện áp tham chiếu cố định có thể được cung cấp để hiệu chuẩn và so sánh các tín hiệu khác.

3. Điều chỉnh điện áp: Điốt Zener cũng có thể được sử dụng cho chức năng điều chỉnh điện áp trong mạch. Bằng cách điều khiển dòng điện của diode Zener, giá trị điện áp trong mạch có thể được điều chỉnh để đạt được chức năng điều chỉnh điện áp mong muốn.

Việc lựa chọn điốt Zener phụ thuộc vào điện áp ổn định và dòng điện hoạt động cần thiết. Chúng có điện áp đánh thủng và đặc tính công suất khác nhau, vì vậy chúng cần được đánh giá dựa trên các ứng dụng và yêu cầu cụ thể khi lựa chọn điốt Zener.

Điốt Zener là điốt được thiết kế đặc biệt có thể cung cấp đầu ra điện áp ổn định. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử với các chức năng như điều chỉnh điện áp, điện áp tham chiếu và điều chỉnh điện áp.

2. Biến trở oxit kim loại (MOV)

MOV là thiết bị dùng để bảo vệ quá áp. Nó bao gồm các hạt oxit kim loại phân bố đều trong ma trận gốm, có thể dẫn điện khi điện áp vượt quá giá trị định mức, từ đó hấp thụ năng lượng quá điện áp và bảo vệ các thiết bị khác trong mạch.

Đặc tính của MOV là đặc tính điện trở phi tuyến của nó. Trong dải điện áp hoạt động bình thường, MOV thể hiện trạng thái điện trở cao và hầu như không ảnh hưởng đến mạch điện. Tuy nhiên, khi điện áp tăng đột ngột vượt quá điện áp định mức, MOV nhanh chóng chuyển sang trạng thái điện trở thấp để hấp thụ năng lượng của quá điện áp và hướng nó xuống đất hoặc các đường có trở kháng thấp khác.

Nguyên lý làm việc của MOV dựa trên hiệu ứng varistor. Khi điện áp vượt quá điện áp định mức, cường độ điện trường giữa các hạt oxit trở nên lớn hơn, do đó điện trở giữa các hạt giảm. Điều này cho phép MOV cung cấp công suất dòng điện rất cao và bảo vệ hiệu quả các mạch và thiết bị khác khỏi hư hỏng do quá điện áp.

Biến trở oxit kim loại thường được sử dụng trong các ứng dụng sau:

1. Bảo vệ quá áp: MOV chủ yếu được sử dụng để bảo vệ quá áp nhằm ngăn điện áp vượt quá giá trị định mức mà thiết bị hoặc mạch có thể chịu được. Khi xảy ra tình trạng quá áp, MOV phản ứng nhanh và bật, hướng quá áp xuống đất hoặc các đường trở kháng thấp khác để bảo vệ các bộ phận nhạy cảm khác.

2. Bảo vệ chống đột biến điện: MOV thường được sử dụng trong các đường dây điện và đường dây thông tin liên lạc để bảo vệ thiết bị khỏi sự đột biến điện áp (đột biến điện áp). Chúng có thể hấp thụ và triệt tiêu các đỉnh điện áp nhất thời, ngăn chặn thiết bị khỏi bị hư hỏng.

3. Bảo vệ chống đột biến: MOV cũng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chống đột biến điện để ngăn ngừa hư hỏng cho các thiết bị và mạch điện tử do sét đánh, tăng điện và nhiễu điện từ khác. Chúng có thể hấp thụ và phân tán năng lượng đột biến, bảo vệ thiết bị khỏi quá điện áp thoáng qua.

Việc chọn MOV thích hợp tùy thuộc vào điện áp định mức yêu cầu, công suất dòng điện tối đa và thời gian đáp ứng. Điện áp định mức của MOV phải cao hơn một chút so với điện áp hoạt động tối đa của mạch cần bảo vệ, đồng thời công suất dòng điện tối đa phải đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Thời gian phản hồi phải đủ nhanh để đảm bảo phản ứng nhanh với quá điện áp.

Biến trở oxit kim loại là thành phần được sử dụng để bảo vệ quá áp, hấp thụ năng lượng quá áp và bảo vệ các mạch và thiết bị khác khỏi bị hư hỏng. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như bảo vệ quá áp, bảo vệ đột biến và bảo vệ đột biến.

3. Bộ triệt tiêu điện áp nhất thời (TVS)

Bộ ức chế điện áp nhất thời (TVS) là một thiết bị điện tử được sử dụng để triệt tiêu quá điện áp nhất thời. Nó có thể phản ứng nhanh và hấp thụ năng lượng quá điện áp, đồng thời có thể bảo vệ hiệu quả khi điện áp thay đổi đột ngột hoặc xảy ra điện áp nhất thời, ngăn điện áp vượt quá ngưỡng cài đặt.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị TVS dựa trên hiệu ứng điện áp đánh thủng. Khi xảy ra quá điện áp nhất thời trong mạch, thiết bị TVS sẽ nhanh chóng chuyển sang trạng thái trở kháng thấp, hướng năng lượng của quá điện áp xuống đất hoặc các đường dẫn có trở kháng thấp khác. Bằng cách hấp thụ và phân tán năng lượng quá điện áp, thiết bị TVS có thể hạn chế tốc độ tăng điện áp và bảo vệ các bộ phận nhạy cảm khác.

Thiết bị TVS thường có cấu tạo gồm các ống xả khí (Ống xả khí, GDT) hoặc điốt cacbua silic (Diode silicon cacbua, Điốt SiC). Các ống phóng khí tạo thành đường phóng điện dựa trên khí khi điện áp quá cao, trong khi điốt cacbua silic sử dụng các đặc tính đặc biệt của vật liệu cacbua silic để tạo thành đường dẫn điện dưới điện áp đánh thủng.

Bộ triệt điện áp nhất thời thường được sử dụng trong các ứng dụng sau:

1. Bảo vệ đột biến: Các thiết bị TVS chủ yếu được sử dụng để bảo vệ đột biến nhằm ngăn ngừa quá điện áp do sét đánh, tăng điện, tìm kiếm nguồn điện và nhiễu điện từ khác. Chúng có thể hấp thụ và triệt tiêu các đỉnh điện áp nhất thời để bảo vệ mạch và thiết bị khỏi bị hư hỏng.

2. Bảo vệ đường dây liên lạc: Thiết bị TVS được sử dụng rộng rãi trong các đường dây liên lạc để bảo vệ thiết bị khỏi bị dò tìm nguồn điện và nhiễu điện từ. Chúng có thể nhanh chóng phản ứng và hấp thụ quá điện áp nhất thời để bảo vệ hoạt động ổn định của thiết bị liên lạc.

3. Bảo vệ đường dây điện: Các thiết bị TVS cũng được sử dụng để bảo vệ đường dây điện nhằm ngăn chặn việc tìm kiếm nguồn điện và các sự kiện quá áp khác làm hỏng thiết bị cung cấp điện. Chúng có thể hấp thụ và phân tán năng lượng quá điện áp để bảo vệ hoạt động bình thường của thiết bị cung cấp điện.

Việc lựa chọn thiết bị TVS phù hợp phụ thuộc vào điện áp định mức yêu cầu, công suất dòng điện tối đa và thời gian đáp ứng. Điện áp định mức của thiết bị TVS phải cao hơn một chút so với điện áp hoạt động tối đa của mạch cần bảo vệ và công suất dòng điện tối đa phải đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Thời gian đáp ứng phải đủ nhanh để đảm bảo triệt tiêu kịp thời tình trạng quá điện áp nhất thời.

Bộ triệt điện áp tạm thời đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực bảo vệ đột biến, bảo vệ đường dây liên lạc và bảo vệ đường dây điện.

4. Cầu chì

Cầu chì là một linh kiện điện tử phổ biến được sử dụng để bảo vệ các mạch và thiết bị khỏi bị hư hỏng do quá dòng. Nó là một thiết bị bảo vệ thụ động ngăn chặn dòng điện quá mức bằng cách ngắt kết nối mạch.

Cầu chì thường được làm bằng dây mỏng hoặc dây có dòng điện cắt thấp. Khi dòng điện trong mạch vượt quá dòng định mức của cầu chì, dây tóc bên trong cầu chì sẽ nóng lên và nóng chảy, cắt đứt dòng điện.

Các tính năng chính và nguyên tắc làm việc của cầu chì như sau:

1. Dòng điện định mức: Dòng điện định mức của cầu chì đề cập đến giá trị dòng điện tối đa mà nó có thể chịu được một cách an toàn. Khi dòng điện vượt quá dòng điện định mức, cầu chì sẽ tan chảy để ngăn dòng điện chạy qua.

2. Thời gian nổ: Thời gian nổ của cầu chì đề cập đến thời gian từ khi dòng điện vượt quá dòng điện định mức cho đến khi nó nổ. Thời gian thổi phụ thuộc vào thiết kế và đặc điểm của cầu chì, thường từ vài mili giây đến vài giây.

3. Công suất ngắt: Công suất ngắt là dòng điện hoặc năng lượng tối đa mà cầu chì có thể ngắt một cách an toàn. Khả năng cắt của cầu chì cần phù hợp với tải của mạch và dòng điện ngắn mạch để đảm bảo rằng dòng điện có thể được cắt một cách hiệu quả trong điều kiện sự cố.

4. Loại: Có nhiều loại cầu chì, bao gồm cầu chì tác động nhanh, thời gian trễ, điện áp cao, v.v. Các loại cầu chì khác nhau phù hợp với các tình huống và yêu cầu ứng dụng khác nhau.

Chức năng chính của cầu chì là bảo vệ quá tải trong mạch điện. Khi dòng điện trong mạch tăng bất thường có thể gây hỏng mạch hoặc hư hỏng thiết bị, cầu chì sẽ nhanh chóng nổ và cắt dòng điện, từ đó bảo vệ mạch và thiết bị khỏi bị hư hỏng.

Khi chọn cầu chì thích hợp, cần xem xét các yếu tố như dòng điện định mức, dòng điện ngắn mạch, điện áp định mức và điều kiện môi trường. Việc lựa chọn cầu chì chính xác có thể đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của mạch điện và bảo vệ quá tải hiệu quả.

5. Nhiệt kế hệ số nhiệt độ âm (NTC Thermistor)

Nhiệt kế có hệ số nhiệt độ âm là linh kiện điện tử có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Điện trở nhiệt NTC thường được làm bằng oxit kim loại hoặc vật liệu bán dẫn. Trong cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu, một số tạp chất nhất định được pha tạp, gây cản trở chuyển động của các electron trong mạng. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng của các electron trong vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ tăng lên và sự tương tác giữa các electron và tạp chất yếu đi, dẫn đến tốc độ di chuyển và độ dẫn của electron tăng lên và giảm giá trị điện trở.

Các đặc tính và ứng dụng của nhiệt điện trở NTC bao gồm:

1. Cảm biến nhiệt độ: Do giá trị điện trở của nhiệt điện trở NTC tỷ lệ nghịch với nhiệt độ nên chúng được sử dụng rộng rãi làm cảm biến nhiệt độ. Bằng cách đo giá trị điện trở, có thể xác định được sự thay đổi nhiệt độ môi trường.

2. Bù nhiệt độ: Nhiệt điện trở NTC có thể được sử dụng trong các mạch bù nhiệt độ. Do đặc tính là giá trị điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ, nó có thể được mắc nối tiếp hoặc song song với các thành phần khác (như nhiệt điện trở và điện trở) để đạt được hoạt động ổn định của mạch ở các nhiệt độ khác nhau.

3. Kiểm soát nhiệt độ: Nhiệt điện trở NTC có thể đóng một vai trò quan trọng trong các mạch điều khiển nhiệt độ. Bằng cách theo dõi sự thay đổi giá trị điện trở, có thể kiểm soát hoạt động của bộ phận làm nóng hoặc bộ phận làm mát để duy trì trạng thái ổn định trong một phạm vi nhiệt độ cụ thể.

4. Bảo vệ nguồn điện: Nhiệt điện trở NTC cũng có thể được sử dụng để bảo vệ nguồn điện. Trong các mạch cấp nguồn, chúng có thể được sử dụng làm bộ bảo vệ quá dòng. Khi dòng điện vượt quá một ngưỡng nhất định, do giá trị điện trở giảm, chúng có thể hạn chế dòng điện và bảo vệ nguồn điện cũng như các mạch khác khỏi hư hỏng do dòng điện quá mức gây ra.

Tóm lại, điện trở nhiệt NTC là thành phần nhạy cảm với nhiệt có hệ số nhiệt độ âm, giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Chúng được sử dụng rộng rãi trong cảm biến nhiệt độ, bù nhiệt độ, kiểm soát nhiệt độ và bảo vệ nguồn điện.

6. Hệ số nhiệt độ dương polyme (PPTC)

Cầu chì điện tử PPTC cũng là một thiết bị bảo vệ quá dòng. Chúng có điện trở thấp nhưng khi dòng điện vượt quá giá trị định mức sẽ xảy ra hiện tượng nhiệt làm điện trở tăng làm hạn chế dòng điện chạy qua. Chúng thường được sử dụng làm cầu chì có thể đặt lại hoặc thiết bị bảo vệ quá dòng. Các thành phần PPTC được làm bằng vật liệu polymer đặc biệt và có đặc tính điện trở là hệ số nhiệt độ dương.

Điện trở của các thành phần PPTC thường thấp ở nhiệt độ phòng, cho phép dòng điện chạy trong thành phần mà không bị sụt điện áp đáng kể. Tuy nhiên, khi xảy ra tình trạng quá dòng, thành phần PPTC sẽ nóng lên do dòng điện chạy qua nó tăng lên. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của vật liệu polyme tăng lên đáng kể.

Đặc điểm chính của thành phần PPTC là khả năng hạn chế dòng điện trong điều kiện sự cố. Khi dòng điện vượt quá ngưỡng định mức, thành phần PPTC nóng lên và điện trở của nó tăng nhanh. Trạng thái điện trở cao này hoạt động như một cầu chì có thể đặt lại, hạn chế dòng điện một cách hiệu quả để bảo vệ mạch điện và các bộ phận được kết nối.

Khi tình trạng lỗi được loại bỏ và dòng điện giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, thành phần PPTC nguội đi và điện trở của nó trở về giá trị thấp hơn. Đặc tính có thể đặt lại này làm cho các thành phần PPTC khác với cầu chì truyền thống và chúng không cần phải thay thế sau khi bị vấp.

Các thành phần PPTC được sử dụng trong nhiều loại mạch điện tử và hệ thống yêu cầu bảo vệ quá dòng. Chúng thường được sử dụng trong nguồn điện, bộ pin, động cơ, thiết bị liên lạc và thiết bị điện tử ô tô. Các thành phần PPTC có những ưu điểm như kích thước nhỏ, hoạt động có thể đặt lại và phản ứng nhanh với các sự kiện quá dòng.

Khi chọn thành phần PPTC, cần xem xét các thông số quan trọng, bao gồm điện áp, dòng điện định mức và dòng điện giữ. Điện áp định mức phải cao hơn điện áp hoạt động của mạch, trong khi định mức dòng điện phải phù hợp với dòng điện tối đa dự kiến. Dòng giữ chỉ định mức hiện tại mà tại đó phần tử ngắt và tăng điện trở.

Các phần tử PPTC cung cấp khả năng bảo vệ quá dòng đáng tin cậy, có thể cài đặt lại cho các mạch điện tử, giúp cải thiện độ an toàn và độ tin cậy.