電子機器の信頼性は、ハードウェア保護回路がどの程度適切に設計されているかによって異なります。エンドユーザー（消費者）は間違いを犯しがちであり、ハードウェアを誤動作から保護するのは優れたハードウェア設計者の責任です。保護回路には十分な種類があり、それぞれに固有の用途があります。最も一般的なタイプの保護回路は、過電圧保護回路、逆極性保護回路、電流サージ保護、およびノイズ保護回路です。このチュートリアルでは、過電圧保護回路の一種であり、電子機器で一般的に使用されているクローバー回路について説明します。また、実際にこの回路を作成し、実際にどのように機能するかを検証します。
必要な材料
- ヒューズ
- ツェナーダイオード
- サイリスタ
- コンデンサ
- 抵抗器
- ショットキーダイオード
クロウバー回路図
クローバー回路の回路図は非常にシンプルで、構築と実装が簡単で、費用効果が高く迅速なソリューションです。完全なクローバー回路図を以下に示します。
ここで、入力電圧（青いプローブ）は監視する必要のある電圧であり、回路は供給電圧が9.1Vを超えると供給を遮断するように設計されています。以下の作業セクションで、すべてのコンポーネントの機能について説明します。
クロウバー回路の働き
クロウバー回路は入力電圧を監視し、それが制限を超えると、電力線の間に短絡を引き起こし、ヒューズを爆破します。ヒューズが飛ぶと、電源が負荷から切断され、高電圧が発生しなくなります。この回路は、回路の電力線の間にバールが落ちているかのように、電力線の間に直接短絡を作成することによって機能します。したがって、それはその象徴的な名前のクローバー回路を取得します。
回路が短絡を発生させる電圧は、ツェナー電圧によって異なります。回路は、入力電圧と回路のグランドの間に直接接続されたSCRで構成されていますが、このSCRは、デフォルトでは、SCRのゲートピンを接地することによってオフ状態に保たれます。入力電圧がツェナー電圧を超えると、ツェナーダイオードが導通し始めるため、SCRのゲートピンに電圧が供給され、入力電圧とグランド間の接続が閉じられ、短絡が発生します。この短絡により、電源から最大電流が引き出され、ヒューズが溶断して電源が負荷から分離されます。上のGIF画像を見れば、完全な動作も簡単に理解できます。デモンストレーションビデオもあります このチュートリアルの最後に。
上の画像は、過電圧状態が発生したときにクローバー回路が正確にどのように応答するかを表しています。ご覧のとおり、ここのツェナーダイオードの定格は9.1Vですが、入力電圧が値を超えており、現在は9.75Vです。そのため、ツェナーダイオードが開き、SCRのゲートピンに電圧を供給することによって導通を開始します。次に、SCRは、入力電圧とグランドを短絡することによって導通を開始し、上記のGIFに示すように、最大電流引き込みによりヒューズを溶断します。この回路の各コンポーネントの機能を以下に説明します。
ヒューズ：ヒューズはこの回路の重要なコンポーネントです。ヒューズの定格は、常にSCRの最大電流定格よりも小さく、負荷が消費する電流よりも大きい必要があります。また、障害が発生した場合にヒューズを切断するのに十分な電流を電源が供給できることを確認する必要があります。
0.1uFコンデンサ：これはフィルタリングコンデンサです。スパイクや高調波などの他のノイズを電源電圧から除去して、回路が誤ってトリガーされるのを防ぎます。
9.1Vツェナーダイオード：このダイオードは過電圧値を決定します。ここでは9.1Vツェナーダイオードを使用しているため、回路はしきい値の9.1Vを超える電圧に応答します。設計者は、必要に応じてこの抵抗の値を選択できます。
1K抵抗：これは、SCRのゲートピンをグランドに保持し、ツェナーが導通し始めるまでオフに保つプルダウン抵抗です。
47nFコンデンサ： SCRのようなすべての電源スイッチには、スイッチング中の電圧スパイクを抑制し、SCRが誤ってトリガーされるのを防ぐためにスナバ回路が必要です。ここでは、コンデンサを使用して作業を行いました。コンデンサの値は、ノイズをフィルタリングするのにちょうど十分な値である必要があります。これは、容量の値が高いと、ゲートパルスを適用した後にSCRが導通を開始する遅延が増加するためです。
サイリスタ（SCR）：サイリスタは、電源レール間に短絡を発生させる役割を果たします。SCRがそのような高い値の電流を処理してヒューズを飛ばし、それ自体を損傷することができるように注意する必要があります。SCRのゲート電圧は、ツェナー降伏電圧よりも低くする必要があります。サイリスタの詳細については、こちらをご覧ください。
ショットキーダイオード：このダイオードは必須ではなく、保護目的でのみ使用されます。保護回路に損傷を与える可能性のある逆電流が負荷側から流れないようにします。ショットキーダイオードは、両端の電圧降下が少ないため、通常のダイオードの代わりに使用されます。
ハードウェア
クロウバー回路の背後にある理論を理解したので、次は楽しい部分に入ります。それは実際にブレッドボードの上に回路を構築し、それがどのように機能しているかをリアルタイムで確認することです。私が構築していますという回路は12Vの電球のためです。この電球は、12Vの通常の動作電圧で約650mAを消費します。クローバー回路を設計して、電圧が12Vを超えているかどうかを確認し、超えている場合はSCRを短絡して、ヒューズを溶断します。そこで、ここでは12VツェナーダイオードとTYN612サイリスタを使用しました。ヒューズはヒューズホルダー内に取り付けられており、ここでは定格500mAのカートリッジヒューズを使用しています。完全なセットアップは下の写真に示されています
RPSを使用して入力電圧を制御しました。最初にセットアップは12Vでテストされ、電球をオンにすることで正常に動作します。その後、RPSノブを使用して電圧が上昇し、SCRを介して短絡が発生し、ヒューズが飛んで電球がオフになり、電源から切り離されます。完全な動作は、このページの下部にあるビデオでも確認できます。
クロウバー回路の制限
回路は広く使用されていますが、以下にリストされている独自の制限があります
- 回路の過電圧値は純粋にツェナー電圧値に依存し、ツェナーダイオードの値はごくわずかです。
- 回路もノイズの問題にさらされています。このノイズはしばしば誤ったトリガーを作成し、ヒューズを飛ばす可能性があります。
- 過電圧が発生した場合、回路はヒューズを飛ばし、後で電圧が正常になったときに負荷を再度実行するために手動の支援が必要になります。
- ヒューズは機械式ヒューズであり、交換する必要があるため、労力、時間、費用がかかります。