گاهی اوقات هنگام استفاده از مدارات اکتذونیکی ممکن است به علت‌های زیادی از جمله اشتباه کاربر، عایق معیوب، رطوبت، اتصالات سست و یا دلایل متعدد دیگر، در مدار اتصال کوتاه ایجاد شود. در این صورت اگر محافظتی در برابر اتصال کوتاه انجام نشده باشد ممکن است جرقه ایجاد شود و به قطعات مدار آسیب برسد و یا حتی باعث سوختن مدار شود. لذا لازم است برای بهتر شدن عملکرد مدار، مدار را در مقابل اتصال کوتاه محافظت کنیم. راه‌های متعددی برای این کار وجود دارد. در این مقاله به بیان اصول طراحی مدارات محافظتی خواهیم پرداخت و چند مدار محافظ اتصال کوتاه ساده، برای کاربرد‌های عمومی ارائه خواهیم کرد.
اتصال کوتاه چیست؟
اتصال کوتاه یا short circuit زمانی ایجاد می‌شود که بین دو قسمت مدار مسیری ناخواسته ایجاد گردد. در اثر اتصال کوتاه اگر امپدانس مسیر ایجاد شده کم باشد، جریان زیادی ازین مسیر عبور خواهد کرد که موجب آسیب دیدن مدار می‌شود.
روش‌های متعددی برای محافظت در برابر اتصال کوتاه وجود دارد مانند استفاده از فیوزها یا قطع کننده‌های مدار و یا مدارات محافظتی. در ادامه به بررسی اجمالی هر یک خواهیم پرداخت.
-
استفاده از فیوز
ساده‌ترین راه برای محافظت مدار در برابر اتصال کوتاه، استفاده از فیوزها می‌باشد. در مقاله فیوزها به این موضوع پرداختیم و آن را به تفضیل بررسی کرده‌ایم. فیوزها اغلب به صورت سری با بار قرار می‌گیرند. در زیر تصویری از نحوه‌ی اتصال فیوزها در مدار آورده شده است.
-
مدار محافظ اتصال کوتاه با رله
یکی دیگر از راه‌های ساده برای محافظت مدار در برابر اتصال کوتاه، استفاده از رله می‌باشد. از این مدار میتوان برای محافظت در برابر اتصال کوتاه در منابع تغذیه ثابت و متغیر و آداپتورها و منابع dc به dc استفاده کرد. ساختار مدار در این حالت مانند تصویر زیر است.
عملکرد:
| همانطور که در تصویر روبرو دیده می‌شود در ابتدا قسمت ورودی و خروجی مدار از هم جدا هستند و led قرمز روشن است. |
 |
|
اگر کلید برای یک لحظه بسته و سپس باز شود، مسیر عبور جریان از سیم پیچ رله بسته خواهد شد. در نتیجه پایه com رله روی کنتاکت NO قرار خواهد گرفت و در این حالت لچ خواهد شد و ورودی و خروجی به هم متصل می‌شوند. این شرایط تا زمانی که مدار در حالت عادی کار کند ثابت خواهد بود. حال اگر در خروجی اتصال کوتاه رخ دهد، ولتاژ خروجی به شدت افت می‌کند؛ رله قدرت نگه داشتن کنتاکت را از دست می‌دهد و پایه com مجددا به کنتاکت NC متصل می‌شود. (تصویر بالا) در این شرایط قسمت تغذیه و خروجی از هم جدا خواهند بود و مدار در برابر اتصال کوتاه محافظت خواهد شد. پس از رفع مشکل به وجود آمده، برای راه اندازی مجدد مدار، با فشردن کلید فشاری برای چند لحظه مجددا قسمت تغذیه و خروجی به هم وصل خواهند شد و مراحل تکرار می‌شوند. |
 |
تا بدینجا تحلیل ساده‌ای از نحوه عملکرد این مدار ارائه شد. برای بهتر شدن طراحی میتوان قسمت‌های دیگری به مدار اضافه کرد. مثلا برای رله دیود freewheel قرار داد. همچنین اگر منبع تغذیه استفاده شده متغیر باشد، از مدار زیر نیز میتوان به عنوان مدار محافظتی استفاده کرد. لازم به ذکر است اساس کار کلی تمامی این مدارات ارائه شده طبق توضیحات بالا می‌باشد.
-
مدار هشدار در زمان اتصال کوتاه با ترانزیستور
یکی از مداراتی که میتوان به عنوان مداری برای تشخیص اتصال کوتاه استفاده کرد در شکل زیر آمده است. در اینجا فرض کردیم ولتاژ ورودی مدار 5V DC می‌باشد.
میتوانیم سری با LED قرمز، یک بازر قرار دهیم تا در زمان رخ دادن اتصال کوتاه، آلارم ایجاد شود و کاربر متوجه اتصال کوتاه بشود.
عملکرد:
| زمانی که مدار در حالت عادی خود کار می‌کند، ترانزیستور های Q1 و Q3 در حالت اشباع قرار دارند. در نتیجه در خروجی ولتاژ 5V با افت اندکی قرار خواهد گرفت و led سبز رنگ روشن خواهد بود. مسیر عبور جریان و ولتاژ و گره‌ها در تصویر روبرو نمایش داده شده است. |  |
| وقتی اتصال کوتاه رخ می‌دهد، ولتاژ خروجی صفر می‌شود. در نتیجه ولتاژ بیس ترانزیستور Q1 صفر می‌شود و ترانزیستور خاموش می‌شود. ترانزیستور Q3 نیز در این حالت خاموش است. جریان در این حالت از led قرمز خواهد گذشت و در نتیجه آسیبی به مدار وارد نمی‌شود. در تصویر روبرو ولتاژ گره‌ها و مسیر عبور جریان مشخص شده است. میتوان سری با LED قرمز بازری هم قرار دهیم تا در صورت بروز اتصال کوتاه بوق زده و اتصال کوتاه تشخیص داده شود. |  |
با توجه به ولتاژ مشخص شده در شکل‌های بالا و نواحی عملکرد ترانزیستورها مطابق تصویر زیر، میتوانیم به سادگی عملکرد این مدار را تحلیل کنیم.
-
مدار محافظتی اتصال کوتاه با ترانزیستور
با استفاده از مدار زیر نیز میتوان در مواقع اتصال کوتاه، منبع را از مدار جدا کرد.
عملکرد:
در این مدار در قسمت ورودی Vin سیگنالی وجود دارد. جریان کشی این مدار از منبع VCC می‌باشد. اگر در خروجی Vout اتصال کوتاه رخ دهد، منبع Vcc از مدار خارج می‌شود و جریانی از آن کشیده نخواهد شد.
در حالت عادی زمانی که بار در خروجی قرار دارد، ولتاژ امیتر ترانزیستور Q1 بین R3 و بار تقسیم می‌شود. به علت کوچک بودن مقاومت R3، ولتاژ کمی روی آن خواهد افتاد در نتیجه اختلاف ولتاژ بین بیس و امیتر ترانزیستور Q2 به اندازهای نخواهد بود که آن را روشن کند. درین حالت تنها ترانزیستور Q1 روشن است و مدار در حالت عادی خود کار می‌کند.
اگر در خروجی اتصال کوتاه رخ دهد، ولتاژ دو سر مقاومت R3 زیاد خواهد شد. در نتیجه Q2 روشن می‌شود و بیس ترانزیستور Q1 را به عبارتی Pull down می‌کند. Q2 در این حالت خاموش خواهد شد. در نتیجه از آن جریانی کشیده نمی‌شود و مدار در برابر اتصال کوتاه محافظت خواهد شد.
خلاصه
به طور خلاصه میتوان گفت اتصال کوتاه زمانی پدید می‌آید که مسیری ناخواسته برای عبور جریان ایجاد شود. برای جلوگیری از آسیب رسیدن به مدار در زمان بروز اتصال کوتاه میتوان از قطعات محافظتی مانند فیوزها و circuit breakerها و وریستور استفاده کرد. همچنین میتوان مدارات ساده‌ای در خروجی قرار داد که در صورت بروز اتصال کوتاه منبع را از مدار خارج کنند. در طراحی مدارات الکترونیک، توجه به این نکات بسیار حائز اهمیت است و کیفیت طراحی و طول عمر مدار را تا حدود خوبی افزایش می‌دهد. در مرکز ذهن دیجیتال طراحی مدارات توسط مهندسین مجرب صورت گرفته و مدارات الکترونیکی با بالاترین کیفیت و با رعایت تمامی نکات صورت می‌گیرد.
