Độ tin cậy của bất kỳ thiết bị điện tử nào phụ thuộc vào mức độ tốt của các mạch bảo vệ phần cứng. Người dùng cuối (người tiêu dùng) dễ mắc sai lầm và trách nhiệm của một nhà thiết kế phần cứng giỏi là phải bảo vệ phần cứng của mình khỏi bất kỳ sự cố nào xảy ra. Có rất nhiều loại mạch bảo vệ, mỗi loại có các ứng dụng cụ thể của riêng nó. Loại mạch bảo vệ phổ biến nhất là mạch bảo vệ quá áp, mạch bảo vệ phân cực ngược, mạch bảo vệ tăng dòng và mạch bảo vệ nhiễu. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ thảo luận về Crowbar Circuit là một loại mạch bảo vệ quá áp và được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử. Chúng tôi cũng sẽ thực tế tạo ra mạch này và xác minh cách nó hoạt động trong đời thực.
Vật liệu thiết yếu
- Cầu chì
- Điốt Zener
- Thyristor
- Tụ điện
- Điện trở
- Đèn Schottky
Sơ đồ mạch Crowbar
Sơ đồ mạch của mạch xà beng rất đơn giản, dễ xây dựng và thực hiện nên nó trở thành một giải pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí. Sơ đồ mạch xà beng hoàn chỉnh được hiển thị bên dưới.
Ở đây điện áp đầu vào (đầu dò màu xanh) là điện áp phải được theo dõi và mạch được thiết kế để ngắt nguồn cung cấp khi điện áp cung cấp vượt quá 9.1V. Chúng ta sẽ thảo luận về chức năng của mọi thành phần trong phần làm việc bên dưới.
Hoạt động của mạch Crowbar
Mạch Crowbar giám sát điện áp đầu vào và khi nó vượt quá giới hạn, nó sẽ tạo ra ngắn mạch trên các đường dây điện và làm nổ cầu chì. Khi cầu chì bị nổ, nguồn điện sẽ bị ngắt khỏi tải và do đó ngăn nó khỏi điện áp cao. Mạch hoạt động bằng cách tạo ra một ngắn mạch trực tiếp trên các đường dây điện, như thể một xà beng bị rơi giữa các đường dây điện của mạch điện. Do đó nó có tên biểu tượng là mạch xà beng.
Điện áp mà mạch sẽ tạo ra ngắn phụ thuộc vào điện áp Zener. Mạch bao gồm một SCR được kết nối trực tiếp qua Điện áp đầu vào và mặt đất của mạch, nhưng SCR này theo mặc định được giữ ở trạng thái tắt bằng cách nối đất chân cổng của SCR. Khi điện áp đầu vào vượt quá điện áp Zener, diode Zener bắt đầu dẫn điện và do đó một điện áp được cung cấp cho chân Cổng của SCR làm cho nó đóng kết nối giữa Điện áp đầu vào và đất do đó tạo ra ngắn mạch. Sự ngắn mạch này sẽ hút dòng điện cực đại từ nguồn điện và làm nổ cầu chì cô lập nguồn điện tạo thành tải. Việc hoàn thành cũng có thể dễ dàng hiểu được bằng cách nhìn vào ảnh GIF ở trên. Bạn cũng có thể tìm thấy Video trình diễn ở cuối hướng dẫn này.
Hình ảnh trên mô tả cách mạch xà beng phản ứng chính xác khi tình trạng quá áp xảy ra. Như bạn có thể thấy, Diode Zener ở đây được đánh giá là 9,1V nhưng điện áp đầu vào đã vượt quá giá trị và hiện ở mức 9,75V. Vì vậy, Diode Zener mở ra và bắt đầu dẫn điện bằng cách cung cấp một điện áp cho chân Gate của SCR. Sau đó SCR bắt đầu dẫn điện bằng cách cắt ngắn điện áp Đầu vào và đất và do đó làm nổ cầu chì do dòng điện tối đa như được hiển thị trong GIF ở trên. Các chức năng của mỗi thành phần trong mạch này được giải thích dưới đây.
Cầu chì: Cầu chì là thành phần quan trọng trong mạch này. Định mức của cầu chì phải luôn nhỏ hơn định mức dòng điện tối đa của SCR và nhiều hơn dòng điện được tiêu thụ bởi tải. Chúng ta cũng nên đảm bảo rằng Bộ nguồn có thể cung cấp đủ dòng điện để ngắt cầu chì trong trường hợp hỏng hóc.
Tụ 0,1uF: Đây là tụ lọc; nó loại bỏ các gai và nhiễu khác như sóng hài từ điện áp cung cấp để ngăn chặn hình thức kích hoạt sai mạch.
Diode Zener 9.1V: Diode này quyết định giá trị quá áp, vì ở đây chúng ta đã sử dụng diode Zener 9.1V, mạch sẽ phản hồi với bất kỳ điện áp nào trên ngưỡng của nó là 9.1V. Người thiết kế có thể chọn giá trị của điện trở này theo nhu cầu của mình.
Điện trở 1K: Đây chỉ là một điện trở kéo xuống giữ chân Cổng của SCR tiếp đất và do đó giữ nó tắt cho đến khi Zener bắt đầu dẫn điện.
Tụ điện 47nF: Mọi công tắc Nguồn như SCR yêu cầu một mạch gọn gàng để ngăn chặn các xung đột biến điện áp trong quá trình chuyển đổi và ngăn SCR kích hoạt sai. Ở đây chúng ta vừa sử dụng một tụ điện để thực hiện công việc. Giá trị của tụ điện phải vừa đủ để lọc nhiễu, bởi vì giá trị cao của điện dung sẽ làm tăng độ trễ mà SCR bắt đầu dẫn sau khi áp dụng xung Cổng.
Thyristor (SCR): Thyristor có nhiệm vụ tạo ra ngắn mạch trên các thanh nguồn. Cần cẩn thận để SCR có thể xử lý dòng điện có giá trị cao như vậy chạy qua nó để làm nổ cầu chì và làm hỏng chính nó. Điện áp cổng của SCR phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng Zener. Tìm hiểu thêm về Thyristor tại đây.
Diode Schottky: Diode này không bắt buộc và chỉ được sử dụng cho mục đích bảo vệ. Nó đảm bảo rằng chúng ta không nhận được bất kỳ dòng điện ngược nào từ phía tải có thể làm hỏng mạch bảo vệ. Diode Schottky được sử dụng thay vì diode thông thường vì nó có ít điện áp rơi hơn.
Phần cứng
Bây giờ chúng ta đã hiểu lý thuyết đằng sau mạch Crowbar, đã đến lúc đi vào phần thú vị. Đó thực sự là xây dựng mạch ở đầu bảng mạch bánh mì và kiểm tra xem nó đang hoạt động như thế nào trong thời gian thực. Các mạch mà tôi đang xây dựng là một bóng đèn 12V. Bóng đèn này tiêu thụ khoảng 650mA dưới điện áp hoạt động bình thường là 12V. Chúng tôi sẽ thiết kế mạch xà beng để kiểm tra xem điện áp có vượt quá 12V hay không và nếu có chúng tôi sẽ đoản mạch SCR và do đó làm nổ cầu chì. Vì vậy, ở đây tôi đã sử dụng một diode 12V Zener và TYN612 Thyristor. Cầu chì được gắn bên trong giá đỡ cầu chì, ở đây chúng tôi đã sử dụng Cầu chì hộp mực có định mức 500mA. Thiết lập hoàn chỉnh được hiển thị trong hình dưới đây
Tôi đã sử dụng RPS để kiểm soát điện áp đầu vào, ban đầu thiết lập được thử nghiệm với 12V và nó hoạt động tốt bằng cách bật bóng đèn. Sau đó, điện áp được nâng lên bằng cách sử dụng núm RPS, do đó tạo ra ngắn mạch qua SCR và thổi cầu chì cũng làm tắt bóng đèn và cô lập nó tạo thành nguồn điện. Hoạt động hoàn chỉnh cũng có thể được kiểm tra trong video ở cuối trang này.
Hạn chế của mạch Crowbar
Mặc dù mạch được sử dụng rộng rãi nhưng nó có những hạn chế riêng được liệt kê dưới đây
- Giá trị quá áp của mạch hoàn toàn phụ thuộc vào giá trị điện áp Zener và chỉ có một số giá trị của diode Zener.
- Mạch cũng bị các vấn đề về tiếng ồn; tiếng ồn này thường có thể tạo ra một kích hoạt sai và làm nổ cầu chì.
- Trong trường hợp quá áp, mạch sẽ nổ cầu chì và sau đó yêu cầu trợ giúp bằng tay để chạy lại tải khi điện áp trở lại bình thường.
- Cầu chì là loại cầu chì cơ học phải được thay thế và do đó tiêu tốn công sức, thời gian và tiền bạc.