طراحی مدار محافظ قطعات در برابر اتصال برعکس تغذیه بردهای الکترونیکی

قطعات الکترونیکی نظیر انواع سنسورها، ماژول ها، میکروکنترلرها و…. دارای ولتاژ تغذیه مشخصی هستند. چنانچه ولتاژ تغذیه این قطعات از حد مجاز فراتر رود، قطعه دچار آسیب و سوختگی خواهد شد. اما تنها دلیل آسیب یک قطعه، ولتاژ زیاد نیست. در اکثر مواقع، اتصال نادرست سیم های مثبت و منفی، باعث آسیب و سوختگی در قطعه خواهد شد.  این مورد در سیستم هایی که با باتری تغذیه می شوند، بسیار حائز اهمیت است. چراکه با قرارگیری غلط باتری در جای خود، سیستم دچار آسیب می شود. در این آموزش به بررسی این مشکل و راهکارهای آن پرداخته و در نهایت روشی مناسب برای غلبه بر این مشکل با  روش‌های محافظت در برابر اتصال معکوس، ارائه می نماییم. در ادامه با مرجع تخصصی آردویینو به زبان فارسی، دیجی اسپارک، همراه باشید.

 

---

اتصال معکوس تغذیه چیست؟

---

در دسته بندی تجهیزات و قطعات برقی، به دو دسته فعال (active) و غیرفعال (passive) بر می‌خوریم. قطعات اکتیو به قطعاتی گفته می شود که برای راه اندازی، نیاز به ولتاژ خاصی دارند. به عنوان مثال، دیود و ترانزیستور قطعاتی هستند که در بازه ولتاژی خاصی فعال شده و کمتر از آن فعال و یا رسانا نیستند. در مقابل، قطعات پسیو در هر بازه ولتاژی فعال می شوند. مقاومت، خازن، سلف و… در بازه قطعات پسیو قرار می گیرند. قطعات الکترونیکی دارای پردازنده، نظیر انواع ای سی ها، میکروکنترلرها، سنسورها، نمایشگرها، ماژول های بلوتوث، وای فای، سیم کارت و…. جزو قطعات اکتیوی هستند که اتصال صحیح قطب های تغذیه، امری مهم تلقی می شود. در این قطعات، با اتصال غلط سیم های تغذیه، به سرعت قطعه آسیب دیده و خواهد سوخت. با توجه به اینکه مدارات امروزی تماما دیجیتال طراحی شده و کلیه قطعات دیجیتال به اتصال صحیح مثبت و منفی حساس هستند، با اشتباه در اتصال پلاریته، کلیه قطعات دیجیتال مدار خواهند سوخت.

 

---

محافظت در برابر بایاس معکوس با دیود

---

همانطور که بیان شد، اتصال معکوس سیم های تغذیه به یک دیوایس دیجیتال نظیر میکروکنترلر، سبب سوختن آن خواهد شد. یک روش محافظت در برابر اتصال معکوس یا بایاس معکوس، استفاده از دیود است. همانطور که اطلاع دارید، دیودها جریان الکتریکی را تنها از یک طرف عبور می دهند. به عبارت دیگر، دیودها(به غیر از دیود زنر) در مقابل جریان هایی که در جهت معکوس به آن ها وارد می شود، سد ایجاد کرده و مانع از حرکت جریان الکتریکی در جهت مخالف می شوند.

به کمک یک دیود، می توان به سادگی از آسیب دیدن مدار به دلیل اتصال معکوس پلاریته، جلوگیری نمود. چنانچه یک دیود را با منبع تغدیه سری نمایید، در صورت اتصال صحیح پلاریته تغذیه، دیود روشن شده و مدار شروع به فعالیت می نماید. اما با اتصال معکوس قطب های تغذیه، دیود روشن نمی شود. در نتیجه جریان برق قطع شده و قطعات از آسیب، مصون خواهند بود. در زیر شماتیک این مدار محافظ را مشاهده می نمایید.

در مدار فوق، با اتصال صحیح مثبت و منفی باتری، دیود روشن شده و مدار شروع به فعالیت می نماید. اما چنانچه منبع تغذیه به صورت برعکس متصل شود، دیود خاموش شده و جریانی از آن عبور نخواهد کرد. در نهایت با قطع اتصال برق، از آسیب دیدن قطعات جلوگیری خواهد شد. به کمک این روش، با هزینه بسیار کم و بدون نیاز به طراحی مداری با پیچیدگی های زیاد، می توانیم سیستم خود را در برابر اتصال اشتباه سیم های تغذیه، محافظت نماییم. اما این روش، خالی از عیب نیست. در قسمت بعدی، اشکال این روش را مورد بررسی قرار می دهیم.

 

---

معایب حفاظت پلاریته معکوس با دیود

---

روش فوق یک روش کارا و ساده برای محافظت در برابر اتصال معکوس تغذیه به شمار می رود. اما این روش، یک ایراد بزرگ داشته که در سیستم های مبتنی بر باتری لیتیمی، مناسب نخواهد بود. همانطور که می دانید، هر دیود در بایاس مستقیم،  دارای یک ولتاژ به نام VF است. این پارامتر، میزانی ولتاژی که دیود در بایاس مستقیم، از ولتاژ ورودی خود کم کرده و به ولتاژ خروجی تحویل می دهد. برای درک بهتر این موضوع، فرض کنید ولتاژ منبع تغذیه شما ۵ ولت باشد. از طرفی دیگر، میزان VF درج شده دیود شما در دیتاشیت، ۰٫۷ تعیین شده باشد. با توجه به این موضوع، چنانچه ولتاژ ۵ ولت به آند دیود متصل نمایید، در کاتد آن ۴٫۳ ولت ظاهر خواهد شد.

Vk = Vin – Vf

Vk = 5 – 0.7 = 4.3

بدین ترتیب، با کسر ۰٫۷ ولت از منبع تغذیه، ولتاژ ۴٫۳ ولت به مدار ما خواهد رسید. البته این مقدار ثابت نبوده و می تواند با افزایش جریان، بیشتر نیز شود. غیر از این، دما هم می تواند بر این مقدار تاثیر بگذارد. در زیر تصویری از میزان Vf دیود ۱n4007 که جزو پرکاربردترین دیودها محسوب می شود، مشاهده می نمایید.

در نمودار فوق، فوق سمت چپ، افزایش ولتاژ Vf را با افزایش جریان مصرفی سیستم، مشاهده می نمایید. فرض کنید برای ماژول مخابراتی sim800l، قصد دارید یک  سیستم محافظ در برابر پلاریته معکوس، به کمک روش فوق بسازید. با توجه به جریان مصرفی حدودا ۱۰۰ میلی آمپری این ماژول در ارسال مداوم داده به کمک GPRS، افت ولتاژ دیود در حدود ۰٫۸ خواهد شد. چنانچه قصد دارید تا این ماژول را به کمک یک باتری لیتیمی راه اندازی کنید، به کمک این روش، همواره ۰٫۸ از ولتاژ باتری کاسته خواهد شد. بازه ولتاژ تغذیه ماژول SIM800L، بین ۳٫۴ الی ۴٫۴ است، از طرفی دیگر، ولتاژ یک باتری لیتیم یونی در حدود ۳ الی ۴٫۲۰ ولت است. با اتصال این دیود به باتری و افت ۰٫۸ ولتی، زمانیکه باتری فول شارژ است، ولتاژ ۳٫۴ به ماژول خواهد رسید!. این یعنی با این روش، زمانیکه باتری فول شارژ هم باشد، حداقل ولتاژ به ماژول خواهد رسید.

 

---

استفاده از دیود شاتکی

---

یک راهکار مناسب برای کاهش افت ولتاژ دیود، استفاده از دیود های شاتکی است. این دیود که توسط مخترع آلمانی، به همین نام ساخته شده است، از افت ولتاژی به مراتب کمتر نسبت به دیودهای معمولی نظیر ۱n4007 برخوردار است. معروفترین این دیودها با نام تجاری ۱n5817، ۱n5818 و ۱n5819 عرضه می شوند. نمودار زیر، میزان افت ولتاژ این دیود ها را نسبت به جریان گذرنده در بایاس مستقیم، نشان می دهد.

نمودار فوق نشان می دهد که دیود شاتکی افت ولتاژی تقریبا نصف دیود معمولی دارد. در بین این دیود ها، دیود ۱n5817 کمینه افت ولتاژ را به خود اختصاص می دهد. اما این دیودها، همچنان برای تغذیه با باتری لیتیم یونی مناسب به نظر نمی رسد. چراکه همواره، حداقل ۰٫۴ ولت از ولتاژ باتری کسر می گردد. برای درک بهتر این موضوع، به نمودار زیر توجه نمایید. این نمودار، رابطه بین ولتاژ باتری لیتیم یونی با درصد آن را نشان می دهد.

ابتدا به نمودار فوق توجه نمایید. سپس ، فرض کنید که باتری ما شارژ ۱۰۰ درصد داشته باشد. این بدان معناست که ولتاژ باتری ما، ۴٫۲ است. از طرفی، افت ولتاژ دیود را ۰٫۴ فرض میکنیم. با اتصال این دیود به باتری فول شارژ، ولتاژ باتری از ۴٫۲، به میزان ۰٫۴ کاسته شده و به ۳٫۸ ولت می رسد. مطابق نمودار فوق، ولتاژ ۳٫۸ تقریبا برابر با ۴۰درصد از ظرفیت باتری است. به عبارت دیگر، حتی با قرار دادن دیود کم افت شاتکی، باتری از حالت شارژ کامل به ۴۰درصد ظرفیت خود، خواهد رسید.

 

---

محافظت بایاس معکوس با ترانزیستور

---

در قسمت قبل، به بررسی یک روش برای محافظت از مدار در برابر اتصال معکوس تغذیه، پرداختیم. در روش قبل، با توجه افت ولتاژ دیود، تلفات توان زیاد شده و سبب کاهش ولتاژ منبع تغذیه می شد. به منظور کاهش افت ولتاژ، می توان از دیودهای شاتکی استفاده کرد. این دیودهای نسبت به دیودهای معمولی که حدود ۰٫۸ ولت افت دارند، تنها ۰٫۴ افت خواهند داشت. اما، چنانچه قصد دارید تا سیستم خود را با باتری لیتیمی راه اندازی کنید، با توجه به افت حداقل ۰٫۴ دیود شاتکی، این میزان هنوز برای باتری لیتیمی، بسیار زیاد خواهد بود. در این قسمت به بررسی روشی می پردازیم که علاوه بر سادگی، افت ولتاژ ناجیزی داشته و روشی بسیار کارآمد برای محافظت در برابر اتصال معکوس تغدیه، محسوب می شود. پیش از ادامه بحث، بهتر است کمی در رابطه با ترانزیستورهای ماسفت، صحبت کنیم.

 

---

ترانزیستور ماسفت

---

ترانزیستورهای ماسفت، نوع دیگری از ترانزیستورها بوده که نسبت به ترانزیستورهای bjt، بازه ولتاژ و جریان به مراتب بالاتری دارند. این نوع ترانزیستورها، همانند ترانزیستورهای bjt دارای سه پایه به نام های گیت، درین و سورس می باشند. اگر ترانزیستورهای bjt می توانند ۸۰۰ میلی آمپر را در ولتاژ ۴۰ ولت از خود عبور دهند، این ترانزیستورها قادرند تا ۱۰۰ آمپر و با ولتاژ ۴۰۰ را از پایه های خود عبور دهند. در نوع پیشرفته تر، ماسفت هایی به نام IGBT وجود دارند که در اینورترهای موتورهای الکتریکی با توان بالا، برای کنترل دور موتور به کار می روند.

ترانزیستورهای ماسفت به دو دسته نوع N و P تقسیم می شوند. همانند ترانزیستور های bjt که ولتاژ بیس-امیتر سبب روشن شدن ترانزیستور می شود، در اینجا نیز ولتاژ بین پایه گیت و سورس سبب روشن شدن ترانزیستور خواهد شد. در نوع N، این ولتاژ باید حدود ۳+ ولت باشد، حال آنکه ترانزیستورهای نوع P با ولتاژ های منفی فعال می شود. به عبارت دیگر، این ترانزیستور زمانی روشن می شود که ولتاژ بین گیت و سورس، ۳- ولت باشد.

نمودار فوق، رابطه میزان ولتاژ VGS با جریان قابل عبور از پایه درین به سمت پایه سورس را نشان می دهد. این نمودار مربوط به ترانزیستور ماسفت از نوع P با نام  IRF5305 است. مطابق این نمودار، هرچه میزان ولتاژ منفی VGS بیشتر می شود، میزان جریان قابل عبور از پایه درین به سورس نیز، افزایش می یابد.

 

---

ماسفت به عنوان محافظ اتصال معکوس

---

در قسمت قبل، به معرفی ترانزیستور ماسفت پرداختیم. یکی از قابلیت های این ترانزیستورها، استفاده در مدارهای محفظ بایاس معکوس است. از طرفی دیگر، با توجه به اینکه میزان افت ولتاژ  ناچیز این ترانزیستورها نسبت به دیودها، انتخاب بسیار مناسبی به شمار می روند. پیش از محاسبه افت ولتاژ، ابتدا نحوه قرارگیری این ترانزیستور به عنوان محافظ مدار را با هم مشاهده می نماییم.

با توجه به مدار فوق، چنانچه تغذیه مدار در بایاس مستقیم قرار گیرد، ترانزیستور روشن شده و جریان الکتریکی در مدار جاری خواهد شد. در این مدار، ترانزیستور به شکل زیر، در مدار قرار می گیرد.

پایه گیت به زمین مدار

پایه سورس به پایه مثبت تغذیه

پایه درین به پایه مثبت تغذیه مدار

فرض کنید تلفات ترانزیستور بسیار ناچیز بوده و در خروجی آن، ولتاژی برابر با ۴٫۹۹۴ ظاهر می شود. البته این فرض چندان دور از انتظار نبوده و در قسمت بعد به آن می پردازیم. در این قسمت، با توجه به ولتاژ بین گیت و سورس، ترانزیستور روشن خواهد شد.

VGS = VG – VS = 0 – 4.994 = -4.994

همانطور که پیشتر بیان گردید، ترانزیستور نوع P برای روشن شدن، نیاز به ولتاژ منفی در قسمت گیت و سورس خود دارد. با تامین این ولتاژ، ترانزیستور روشن شده و جریان الکتریکی در مدار جاری خواهد شد. اما، چنانچه ، مطابق تصویر زیر، قطب های تغذیه برعکس متصل شوند، ترانزیستور خاموش شده و جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. بدین ترتیب، مدار در برابر بایاس معکوس، محافظت خواهد شد.

در مدار فوق، قطب های تغدیه برعکس متصل شده اند. در نتیجه، ترانزیستور خاموش شده و جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. چراکه با توجه به ولتاژ بین پایه گیت و سورس داریم.

VGS = VG – VS = 5 – 0 = 5

همانطور که پیشتر بیان شد، ترانزیستور نوع P برای روشن شدن نیاز به ولتاژ منفی دارد. اما با اتصال برعکس پلاریته، این ولتاژ برابر با ۵ ولت مثبت شده و در نتیجه ترانزیستور خاموش خواهد شد. با خاموش شدن ترانزیستور، جریانی از آن عبور نکرده و در نهایت مدار در برابر اتصال معکوس، محافظت خواهد شد.

 

---

توان تلفاتی و افت ولتاژ ترانزیستور ماسفت

---

در قسمت های پیشین در رابطه با افت ولتاژ بسیار ناچیز ترانزیستور ماسفت، بحث نمودیم. در این قسمت به این موضوع می پردازیم. تمامی ترانزیستورهای ماسفت، مقاومتی به نام Rds درون خود دارند. این مقاومت بین پایه های درین و سورس به صورت سری قرار گرفته است. همانطور که اطلاع دارید، با قرار گرفتن مقاومت به صورت سری در مدار، از میزان جریان الکتریکی گذرنده، کاسته خواهد شد. به عبارت دیگر، مقاومت سری سبب محدود شدن جریان می شود. طبیعتا هرچه این مقاومت بیشتر باشد، جریان بیشتری محدود شده و افت ولتاژ بیشتری حاصل خواهد شد. مطابق دیتاشیت ترانزیستور IRF5305، میزان مقاومت درین-سورس برابر با ۰٫۰۶ اهم است.

مطابق تصویر فوق، ترانزیستور IRF5305، مقاومت درین سورسی برابر با ۰٫۰۶ اهم دارد. فرض کنید مدار ما، جریان مصرفی برابر با ۰٫۱ آمپر داشته باشد.  طبق قانون اهم داریم.

V=I * R = 0.1 * 0.06 = 0.006

با فرض اینکه ولتاژ تغذیه ما ۵ ولت باشد، مقدار فوق از ۵ ولت کسر شده و ۴٫۹۹۴ ولت به مدار ما خواهد رسید. در حقیقت، مقدار بسیار بسیار ناچیزی از ولتاژ منبع تغذیه کسر شده و به مدار می رسد. برای درک بهتر این موضوع، تصویر زیر را در نظر بگیرید.

در یک مدار الکتریکی، چنانچه تعدادی المان با هم سری باشند، جمع ولتاژ تک تک المان ها می بایست با ولتاژ منبع تغذیه، برابری نماید. در اینجا با توجه به اینکه ولتاژ ترانزیستور ۰٫۰۰۶ شده است، بنابراین با جمع این عدد با مقدار ۴٫۹۹۴، به ۵ ولت خواهیم رسید. این موضوع را با رابطه زیر نیز، می توان بیان نمود.

ولتاژ ماسفت + ولتاژ مدار = ولتاژ منبع تغذیه

۴٫۹۹۴ + ۰٫۰۰۶ = ۵

همانطور که مشاهده می شود، استفاده از ماسفت بهینه ترین گزینه برای محافظت مدار در برابر اتصال معکوس تغذیه است. با توجه به افت ولتاژ ناچیز ترانزیستور ماسفت، می توانیم آن را به سادگی و بدون نگرانی از افت شدید ولتاژ، برخلاف اتصال دیود، مدار خود را راه اندازی نماییم.

 

---

جمع بندی اتصال معکوس

---

در این آموزش، به بررسی روش های محافظت از مدار در برابر اتصال اشتباه پلاریته تغذیه به مدار پرداختیم. همانطور که اطلاع دارید، با اتصال اشتباه قطب های تغذیه به مدار، قطعات دیجیتال، در صورت عدم وجود محافظ در مدار، آسیب خواهند دید. این موضوع بیشتر در سیستم های مبتنی بر تغذیه باتری، اهمیت ویژه ای می یابد. چراکه با اتصال اشتباه باتری به سیستم، بلافاصله قطعات الکترونیکی دچار آسیب می شوند. جهت جلوگیری از این آسیب، دو روش معرفی گردید. روش نخست، استفاده از دیود را در محافظت از پلاریته معکوس، شرح می دهد. اما این روش به دلیل تلفات بالا و افت ولتاژ، روش مناسبی نخواهد بود. این موضوع زمانی اهمیت بیشتر می یابد که باتری لیتیمی به عنوان منبع تغذیه در سیستم، قرار گرفته باشد. در روش دوم، به کمک یک ترانزیستور ماسفت، مدار خود را در برابر اتصال معکوس پلاریته تغذیه، محافظت می نماییم. با توجه به توان تلفاتی پایین و افت ولتاژ بسیار ناچیز ترانزیستور ماسفت، می توان از آن به عنوان یک مدار محافظ کاملا بهینه، در برابر اتصال معکوس قطب های تغذیه، استفاده نمود.

 

چنانچه در مراحل راه اندازی و انجام این پروژه با مشکل مواجه شدید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد. همچنین اگر ایرادی مراحل اجرایی وجود دارند می‌توانید از همین طریق اطلاع رسانی کنید. در پایان نظرات و پیشنهادات خود را با ما درمیان بگذارید و با اشتراک گذاری این آموزش در شبکه های اجتماعی , از وبسایت دیجی اسپارک حمایت کنید.