Một trong những ứng dụng thiết thực và bổ ích nhất của nhiệt điện trở PTC là tạo ra mạch bảo vệ quá dòng có thể phục hồi. Cho dù bạn là người đam mê bảo vệ một dự án mới hay một kỹ sư muốn tăng cường an toàn cho thiết kế, việc sử dụng PTC như một "polyfuse" (cầu chì đa năng) rất đơn giản và hiệu quả cao. Hướng dẫn này sẽ hướng dẫn bạn thiết kế và triển khai một mạch đơn giản để bảo vệ thiết bị điện tử của bạn.
Mục tiêu: Bảo vệ tải khỏi quá dòng
Mục tiêu của chúng tôi là bảo vệ tải trọng có giá trị (ví dụ: động cơ, cảm biến hoặc bo mạch vi điều khiển) khỏi bị hư hỏng nếu có quá nhiều dòng điện chạy qua, do lỗi hoặc đoản mạch.
Tại sao lại dùng PTC? Không giống như cầu chì dùng một lần, nhiệt điện trở PTC sẽ tự động đặt lại sau khi lỗi được khắc phục và nguội đi, giúp bạn không phải thay thế liên tục.
Bước 1: Chọn đúng nhiệt điện trở PTC
Việc lựa chọn linh kiện chính xác chiếm 90% công việc thiết kế. Bạn sẽ cần tham khảo bảng dữ liệu của nhà sản xuất (từ các nhà cung cấp như TDK, Murata hoặc Bourns) và tìm các thông số chính sau:
Dòng điện giữ (I <sub> giữ </sub> ): Dòng điện tối đa mà mạch sẽ hoạt động bình thường . PTC phải cho phép dòng điện này chạy vô thời hạn mà không bị ngắt. Hãy chọn PTC có định mức dòng điện giữ cao hơn một chút so với dòng điện hoạt động bình thường của mạch.
Ví dụ: Nếu tải của bạn thường tiêu thụ 500mA, hãy chọn PTC có I <sub> giữ </sub> là 550mA hoặc 600mA.
Dòng điện ngắt (I <sub> trip </strong> ): Dòng điện tối thiểu mà PTC sẽ ngắt sang trạng thái điện trở cao. Điều này thường xảy ra ở một nhiệt độ cụ thể và thường được chỉ định ở 20°C hoặc 25°C.
Lưu ý: Dòng điện ngắt luôn cao hơn đáng kể so với dòng điện giữ (thường là 2x).
Điện áp tối đa (V <sub> max </sub> ): Điện áp tối đa mà PTC có thể chịu được khi ở trạng thái kích hoạt mà không bị hồ quang hoặc đánh thủng. Đảm bảo điện áp này cao hơn điện áp nguồn điện của bạn.
Dòng điện cực đại (I <sub> max </sub> ): Dòng điện lỗi cực đại mà PTC có thể chịu được mà không bị phá hủy.
Điện trở (R <sub> min </sub> /R <sub> max </sub> ): Điện trở ban đầu ở 20°C. Điện trở càng thấp thì tổn thất điện năng và sụt áp càng ít trong quá trình hoạt động bình thường.
Bước 2: Thiết kế mạch
Bản thân mạch điện rất đơn giản. Nhiệt điện trở PTC được mắc nối tiếp với tải trên thanh nguồn dương .
Cách thức hoạt động:
Hoạt động bình thường: Dòng điện chạy từ V <sub> CC </sub> , qua PTC (điện trở thấp), đến tải và trở về GND. Độ sụt áp trên PTC là tối thiểu (Độ sụt áp V <sub> </sub> = I * R <sub> PTC </sub> ).
Tình trạng lỗi (Quá dòng/Ngắn mạch): Dòng điện quá lớn chạy qua, làm nóng PTC. Nó nhanh chóng đạt đến điểm Curie và "ngắt", làm tăng điện trở lên gấp 1000 lần hoặc hơn. Điện trở cao này giới hạn đáng kể dòng điện trong mạch ở mức nhỏ giọt an toàn (rò rỉ I <sub> ), bảo vệ tải.
Thiết lập lại: Sau khi lỗi được loại bỏ (ví dụ: ngắn mạch được khắc phục) và nguồn điện được cấp lại, PTC sẽ nguội dần. Điện trở của nó giảm xuống giá trị thấp và mạch sẽ tự động hoạt động bình thường trở lại.
Bước 3: Cân nhắc thực tế và bố cục
Vị trí: Đặt PTC càng gần đầu nối nguồn càng tốt. Điều này bảo vệ mọi thứ ở phía hạ lưu.
Môi trường: Lưu ý rằng thời gian ngắt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường. Môi trường nóng có thể khiến PTC ngắt ở dòng điện thấp hơn.
Tản nhiệt: Ở trạng thái ngắt, PTC sẽ bị sụt áp đáng kể (gần bằng điện áp nguồn). Điều này có nghĩa là nó sẽ tản nhiệt (P = V * I). Hãy đảm bảo thiết kế của bạn có đủ không gian xung quanh PTC để cho phép quá trình làm nóng và làm mát sau đó.
Không dành cho độ chính xác: Đây là hệ thống bảo vệ mạnh mẽ, có khả năng chịu lỗi, không phải mạch giới hạn dòng điện chính xác. Tải sẽ không có điện cho đến khi PTC được đặt lại.
Ví dụ về kịch bản
Chúng ta hãy bảo vệ động cơ quạt 12V DC thường có dòng điện 0,5A .
Lựa chọn: Chúng tôi chọn Bourns MF-R600 PTC.
Dòng điện giữ (I <sub> giữ </sub> ): 600mA (hoàn hảo cho tải 500mA của chúng tôi)
Dòng điện chuyến đi (I <sub> chuyến đi </sub> ): 1,2A
Điện áp tối đa: 30V (cao hơn nhiều so với nguồn cung cấp 12V của chúng tôi)
Dòng điện tối đa: 40A
Điện trở ban đầu: ~0,1Ω
Mạch điện: Chúng ta đặt PTC nối tiếp với đường dây 12V dẫn đến động cơ.
Hoạt động:
Bình thường: Độ sụt áp = 0,5A * 0,1Ω = 0,05V. Không đáng kể!
Lỗi: Nếu động cơ bị kẹt và chạy 2A, PTC sẽ nóng lên và ngắt trong vòng vài giây, cắt dòng điện xuống còn ~10mA.
Khởi động lại: Sau khi vật cản được loại bỏ và nguồn điện được cấp lại, quạt sẽ hoạt động trở lại.
Phần kết luận
Việc tích hợp nhiệt điện trở PTC để bảo vệ quá dòng là một chiến lược đơn giản, tiết kiệm chi phí và cực kỳ đáng tin cậy. Bằng cách lựa chọn linh kiện cẩn thận dựa trên dòng điện và điện áp hoạt động bình thường của mạch, bạn có thể thêm một lớp an toàn tự phục hồi, ngăn ngừa hư hỏng tốn kém và thời gian ngừng hoạt động gây khó chịu. Đây là một trong những cách dễ nhất để làm cho thiết kế điện tử của bạn trở nên mạnh mẽ và chuyên nghiệp hơn.
