Schützen Ihres Schaltkreises

Das Design von Leiterplatten ist ein komplexer Prozess, der von vielen Faktoren abhängt. Ingenieure sind in der Regel damit beauftragt, kosteneffektive Lösungen zu suchen, während sie die hohe Zuverlässigkeit ihrer Endprodukte aufrechterhalten. Obwohl das Hinzufügen einer Reihe von Schutzmaßnahmen zu Ihrer Schaltplatte Ihre Stückkosten erhöhen kann, kann es auch die Ausfallraten in der Praxis erheblich reduzieren, die wiederum eigene Support- und Ersatzkosten mit sich bringen. In vielen Szenarien wären die zusätzlichen Stückkosten unbedeutend im Vergleich zu Support- und Ersatzkosten, was den Schutz von Schaltkreisen zu einem unverzichtbaren Mechanismus zur Kosteneinsparung macht.

In diesem Artikel werden wir uns Schutzvorrichtungen ansehen, die Sie Ihrem Schaltkreis hinzufügen können, die nicht nur dazu beitragen, dass er fehlertoleranter gegenüber Benutzerfehlern, schlechter Stromqualität und unerwarteten Ereignissen ist, sondern auch sicherstellen, dass er wahrscheinlicher Compliance-Tests besteht. Wir werden die häufig auftretenden Sicherheitsprobleme nacheinander durchgehen, beginnend mit elektromagnetischer Interferenz.

Elektromagnetische Interferenz (EMI)

Die Reduzierung abgestrahlter elektromagnetischer Energie ist entscheidend, um die Vorschriften zur elektromagnetischen Kompatibilität zu erfüllen. Da elektromagnetische Interferenzen in beide Richtungen wirken, müssen Geräte so konzipiert sein, dass sie mit eingehender Interferenz umgehen können. Für die meisten Geräte werden die Schutzschaltungen für Ein- und Ausgänge gleich sein, sodass das, was Sie durch einen Compliance-Test bringt, wahrscheinlich auch Sie vor Energie schützt, die die Signalintegrität in Ihrem Produkt beeinträchtigen könnte.

Über die üblichen Anforderungen der Compliance für elektromagnetische Kompatibilität hinaus könnten Sie ein Gerät entwerfen, das sich in einer industriellen Umgebung voller großer Ströme, die zu Motoren oder anderen stromhungrigen Geräten gehen, oder in der Nähe eines leistungsstarken Funkgeräts befindet. Kabel, die an Ihr Gerät angeschlossen sind, könnten eine erhebliche Spannung aus den induzierten Feldern aufnehmen, was Sensormessungen unzuverlässig oder Kommunikation schwierig machen würde. Noch schlimmer, Ihr Gerät könnte an eine Stromschiene angeschlossen sein, die auch diese elektrisch "lauten" Geräte versorgt, wodurch elektromagnetische Interferenzen direkt über die Stromverbindung in Ihren Schaltkreis gelangen könnten.

Ferrit-Chip

Der Ferritperle oder -chip (Oberflächenmontage) ist eine der günstigsten und einfachsten Schutzmethoden, die Sie Ihrer Leiterplatte hinzufügen können. Die bescheidene Ferritperle unterdrückt Hochfrequenzrauschen an der Stelle, an der sie platziert wird, und schützt beide Seiten vor Rauschen, das auf der anderen Seite erzeugt wird. Jedes leitfähige Kabel, das an Ihr Gerät angeschlossen ist, ist eine Antenne, es sei denn, es verfügt über eine wirksame Abschirmung. Dieses Kabel kann Rauschen aus der Umgebung aufnehmen und auch Rauschen aus Ihrem Schaltkreis abstrahlen.

Ein Ferrit-Chip wirkt als Tiefpassfilter in Ihrem Schaltkreis und erzeugt einen hohen Widerstand gegenüber Hochfrequenzsignalen. Eine kritische Spezifikation bei der Auswahl eines Ferrit-Chips oder -perle ist seine Impedanz bei gegebenen Frequenzen, die am häufigsten entweder bei 1MHz oder 100MHz gemessen wird. Diese Spezifikation wird in Ohm angegeben, da der Ferrit-Chip für Signalbestandteile der angegebenen Frequenz wie ein Widerstand dieses Wertes erscheinen wird.

Ein weiteres kritisches Spezifikation für Ihren Schaltkreis ist der Gleichstromwiderstand (DCR(MAX)), der den Serienwiderstand des Ferrits gegenüber einem Gleichstromsignal darstellt. Dieser Serienwiderstand ist wichtig, da er einen Einfluss auf Ihren Schaltkreis haben wird, und wenn Sie versuchen, einen großen Strom entlang des Leiters in Serie mit dem Ferrit zu leiten, stellen Sie möglicherweise fest, dass der Ferrit ziemlich heiß wird – daher die Stromspezifikation, die in solchen Fällen wichtig zu berücksichtigen ist.

Ferritperlen/-chips sollten großzügig bei niedrigen Frequenzen und Gleichstromleitern verwendet werden, um die Auswirkungen von sowohl abgestrahltem als auch empfangenem Rauschen auf Kabeln zu reduzieren. Sie können auch in Betracht ziehen, lokal eines in Serie zur Stromschiene einer empfindlichen Komponente auf Ihrer Leiterplatte zu verwenden, wie sie in analogen Schaltungen mit sehr niedrigen Spannungssignalen vorhanden sind, wo Rauschen in der Stromschiene in das Signal übertragen werden könnte.

Pi-Filter

Während Ferritchips einen hohen Widerstand gegenüber einem Wechselstromsignal darstellen, bieten Induktoren eine hohe Impedanz. Induktoren werden weniger häufig zum Schutz von Ein- oder Ausgängen von Geräten verwendet als Ferritperlen, jedoch können sie in Kombination mit zwei Kondensatoren ein mächtiges Werkzeug zur Reduzierung von geleitetem Rauschen sein. Das Pi-Filter ist nach dem griechischen Buchstaben π benannt, mit einem Induktor über der Oberseite und den beiden Beinen als Kondensatoren. Dies schafft ein hochwirksames Tiefpassfilter, wobei die beiden Kondensatoren als Entkopplung wirken und der Induktor eine hohe Impedanz für Signale bietet.

Wenn Ihr Gerät Strom von einer potenziell verrauschten Quelle erhält oder ein großes Schaltnetzteil enthält, kann ein Pi-Filter an Ihrem Eingang wahrscheinlich eine signifikante Reduzierung von EMI-Problemen bieten. Induktoren haben typischerweise eine viel größere Impedanz und Stromtragfähigkeit als Ferritchips und auch einen niedrigeren Serienwiderstand. Wenn Ihr Leiter mehrere Ampere führt oder einem signifikanten Rauschen ausgesetzt ist, dann wird ein Pi-Filter wahrscheinlich einen besseren Schutz bieten als ein Ferritchip.

Die meisten oberflächenmontierten, drahtgewickelten, ferritkernbasierten Induktoren sind in einer abgeschirmten Version verfügbar. Da Sie den Induktor zur Rauschreduzierung verwenden, bieten abgeschirmte Induktoren zusätzlichen Schutz.

Serienabschlusswiderstand

Wenn Sie eine Signalleitung haben, die eine Frequenz von mehreren hundert Kilohertz überschreitet, möchten Sie vielleicht einen 50-Ohm-Abschlusswiderstand zu den Leitungen hinzufügen, um eine Impedanzanpassung zu bieten und Reflexionen zu reduzieren. Bei digitalen Übertragungsleitungen können Reflexionen von einem unsachgemäß abgeschlossenen Signal zu Logikebenenambiguität führen, was zu korrupten Daten führt. Bei analogen Leitungen können Reflexionen Leistungsverluste und Geistereffekte im Signal verursachen.

Obwohl dies nicht so sehr eine Schutzmaßnahme als vielmehr eine gute Entwurfspraxis ist, ist es hier erwähnenswert.

RF-Abschirmung

Wenn Sie ein RF-Produkt entwerfen, einen Schaltkreis, der mit sehr niedrigen Sensorsignalen arbeitet, oder einen in einer sehr ungünstigen elektromagnetischen Umgebung, ist die ultimative Lösung zur massiven Reduzierung elektromagnetischer Störungen, Ihre Schaltung in einem RF-Schutzgehäuse zu umschließen. Das RF-Schutzgehäuse ist geerdet und verhindert, dass jegliche elektromagnetische Störungen durch die freiliegenden Leiter und Komponenten Ihrer Schaltung dringen, sowohl von außen nach innen als auch umgekehrt. Darüber hinaus wird durch eine gut entworfene solide Erdung in der Leiterplatte, auf der die Komponenten montiert sind, verhindert, dass Störungen von der Unterseite entweichen oder eindringen. Allerdings können und werden Störungen über die Leiter zu den abgeschirmten Schaltkreisen ein- und austreten. Andere Maßnahmen, wie Ferrit-Chips, können leitungsgebundene Störungen lindern.

RF-Schutzgehäuse können in einer Reihe von Größen gekauft werden und sind auch bei einer geringen Stückzahl von 100 Einheiten recht kostengünstig maßzuschneidern.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob Ihre Platine ein RF-Schutzgehäuse benötigt oder nicht, ist es viel einfacher, eines auf die Leiterplatte zu entwerfen und es nicht zu platzieren, als die Platine zu überarbeiten und ein Landmuster dafür hinzuzufügen. Dies ermöglicht es Ihnen, auf das RF-Schutzgehäuse zu verzichten, falls es sich während der Tests als unnötig erweist.

Verpolung

Anders als in Sci-Fi-Filmen, wenn der Kapitän oder Ingenieur „Verpolung“ ruft, typischerweise in einer Schlacht oder einer anderen kritischen Situation, ist die Verpolung Ihrer Stromversorgung in der realen Welt eher dazu geeignet, den magischen Rauch freizusetzen, als ein Schutzfeld zu erzeugen. Wenn ein Benutzer das falsche Stromkabel verwendet oder der Eingangsstecker nicht polarisiert ist, kann es leicht passieren, dass die Polarität der Stromversorgung Ihres Geräts umgekehrt wird, was möglicherweise jede Komponente in Ihrem Schaltkreis zerstört.

Glücklicherweise ist der Schutz gegen Verpolungsereignisse einfach.

Eingangsdiode

Die einfachste Methode, einen Verpolungsschutz hinzuzufügen, besteht darin, einfach eine Diode in Reihe mit Ihrem positiven Leiter zu schalten. Die Diode leitet nur in Vorwärtsrichtung, sodass bei falsch angeschlossenen Eingängen kein Strom fließt.

Es gibt einige große Nachteile bei diesem Ansatz, und sie stehen im Zusammenhang mit dem Vorwärtsspannungsabfall der Diode. Wenn Sie Ihr Gerät mit der exakten Spannung versorgen, die es zum Funktionieren benötigt, kann die Diode die Spannung unter den Punkt senken, an dem Ihr Gerät zuverlässig arbeitet.

Wenn Ihr Gerät eine moderate Menge an Leistung verbraucht, kann die Diode überhitzen, da sie Leistung proportional sowohl zur Stromstärke als auch zum Vorwärtsspannungsabfall abgibt. Wenn Sie eine Diode wählen, die ausreichend Kapazität hat, um diese Erwärmung zu bewältigen, könnte sie genug Wärme an die Leiterplatte abgeben, um andere Komponenten unzuverlässig arbeiten zu lassen oder die Lebensdauer des Geräts aufgrund der erhöhten thermischen Abgabe innerhalb eines Gehäuses zu reduzieren.

Wenn Ihr Gerät batteriebetrieben ist, wird die Eingangsdiode die Lebensdauer der Batterie oder Ladung aufgrund des Effizienzverlusts durch die erhöhte Abgabe der Diode verringern. Dies führt dazu, dass eine größere, schwerere, teurere Batterie benötigt wird, um die gleiche Laufzeit zu bieten.

Daher ist eine Eingangsdiode im Allgemeinen nur eine gute Lösung für ein Gerät mit niedrigem Stromverbrauch, das eine Betriebsspannung hat, die niedriger ist als seine Eingangsspannung. Ein gutes Beispiel dafür wäre ein einfacher Mikrocontroller-Schaltkreis, der mit 3,3 V oder weniger betrieben wird und über ein USB-Kabel mit Strom versorgt wird.

Brückengleichrichter

Wenn der Vorwärtsspannungsabfall einer Diode und die damit verbundene Wärme/Ineffizienz kein Problem für Ihre Anwendung darstellt, können Sie die Polarität auch vollständig ignorieren, indem Sie am Eingang einen Brückengleichrichter verwenden. Ein einfacher Brückengleichrichter stellt sicher, dass Sie immer zuverlässige positive und negative (oder Masse-) Spannungsschienen haben, egal wie die Stromversorgung des Geräts erfolgt.

Ich habe diesen Ansatz bei sehr geringer Leistung, ultra-miniaturisierten Geräten verwendet, bei denen ein Benutzer seine eigene Stromversorgung durch Löten von Drähten an die Platine bereitstellte. Die Chance auf Benutzerfehler war hoch, und die Ineffizienz des Brückengleichrichters hatte einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Gerät oder die spezifische Anwendung.

MOSFET

Im Gegensatz zur oben genannten Diode hat ein MOSFET einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und kann einen Verpolungsschutz für Gleichstromkreise, die hunderte von Ampere verbrauchen, oder sehr effizienten Verpolungsschutz für batteriebetriebene Schaltungen bieten. Aufgrund des niedrigen Einschaltwiderstands gibt es praktisch keine zusätzliche thermische Belastung für den Schaltkreis.

Sie können einen MOSFET für den Verpolungsschutz verwenden, solange der Schaltkreis entweder einen einzelnen positiven Spannungsversorgungsanschluss (unter Verwendung eines P-Kanal-MOSFET) oder einen einzelnen Masse-Rückführungspfad (unter Verwendung eines N-Kanal-MOSFET) hat. Wenn eine Anordnung von verbundenen Geräten oder alternative Spannungseingänge einen alternativen Versorgungs- oder Rückführungspfad erstellen würden, ist dieser Ansatz nicht anwendbar.

Ein N-Kanal-MOSFET weist im Vergleich zu einem P-Kanal-MOSFET bei gleichem Preis ein niedrigeres RDS(ON) auf, was ihn für mich zur bevorzugten Lösung macht, wo anwendbar. In Geräten, bei denen der Masse-Rückführungspfad jedoch ständig verbunden sein muss, ist ein P-Kanal-MOSFET immer noch eine sehr leistungsfähige Lösung im Vergleich zu einer Diode.

Um einen Verpolungsschutz mit MOSFETs hinzuzufügen, können wir ein paar ihrer Eigenschaften nutzen. Erstens, die Körperdiode, die die Leitung von den Source- zu den Drain-Pins ermöglicht, und zweitens, die Tatsache, dass MOSFETs Strom in beide Richtungen leiten können, sobald das Gate geladen ist.

N-Kanal-MOSFET

Ein N-Kanal-MOSFET wird im Masse-Rückführungspfad installiert, am Stromanschluss mit der Körperdiode orientiert, um zu leiten, wenn der Schaltkreis mit der richtigen Polarität betrieben wird. Das Gate wird dann mit der positiven Eingangsspannungsschiene der Stromversorgung des Geräts verbunden. Die Körperdiode schließt den Kreislauf, wenn die Stromversorgung mit der richtigen Polarität angeschlossen ist, was das Gate aktiviert und die Körperdiode kurzschließt.

P-Kanal-MOSFET

Die Einrichtung für den P-Kanal-MOSFET ist im Grunde die Umkehrung des N-Kanals. Die Körperdiode ist so orientiert, dass sie Strom von der positiven Versorgung zum Rest der Schaltung leitet, mit dem Gate verbunden mit Masse. Wenn die richtige Polarität der Spannung angelegt wird, geht das Gate auf niedrig und lädt den MOSFET, was die Körperdiode kurzschließt und den MOSFET normal leiten lässt, wodurch der Schaltkreis vervollständigt wird.

Überstrom

Wenn Ihr Produkt Kabel oder Geräte hat, die viel Strom verbrauchen könnten, wenn sie in den falschen Zustand versetzt werden (wie ein blockierter Motor), könnte ein Überstromschutz den Tag retten. Kabel könnten intern brechen oder durch äußere Kräfte beschädigt werden, die dazu führen, dass die Leiter kurzgeschlossen werden und eine hohe Stromlast auf Ihre Platine induzieren. Dies kann schnell dazu führen, dass Spuren, die nicht für diese Last vorgesehen waren, sich erhitzen und versagen oder eine Stromversorgung oder ein anderes an diese Leiter angeschlossenes Gerät überlasten.

Rückstellbare Sicherung

Eine Sicherung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ist ein Schutzgerät, das sicherstellt, dass Ihr Stromkreis die Stromversorgung verliert, wenn der Stromverbrauch seine Nennleistung überschreitet. Nachdem der Stromverbrauch wieder auf normal zurückgegangen ist, beginnt die Sicherung wieder zu leiten. Wenn Ihr Strombedarf etwa 10 Ampere übersteigt oder Ihre Spannung etwa 60 V übersteigt, dann sind rückstellbare Sicherungen nichts für Sie und Sie müssen sich alternative Optionen wie Glas- oder Keramiksicherungen ansehen. Diese Sicherungen bieten einen ausgezeichneten Schutz für Geräte mit höherem Stromverbrauch, haben jedoch wie die meisten Schutzmaßnahmen einige Nachteile.

Rückstellbare Sicherungen werden hergestellt, indem leitfähige Partikel fest in einem Kunststofffüller gebunden werden. Wenn die Sicherung eine normale Temperatur hat, gibt es eine große Menge an leitfähigem Material, das einen Weg für den Stromfluss durch das Gerät mit mäßigem Widerstand schafft. Wenn der Strom zunimmt, erhitzt sich die Sicherung, was dazu führt, dass der Kunststoff sich ausdehnt. Folglich beginnt diese Ausdehnung, die leitfähigen Partikel zu trennen, was den Widerstand erhöht und dazu führt, dass sich die Sicherung exponentiell schneller erhitzt. Die Sicherung erreicht einen Punkt, an dem nur eine kleine Menge Strom ausreicht, um den Kunststoff heiß genug zu halten, um einen stabilen Zustand geringer Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Dieser stabile Zustand ist meiner Meinung nach der größte Nachteil der Sicherung. Der kleinste Haltestrom in einem oberflächenmontierten Gerät, den ich auf dem Markt finden konnte, beträgt 10 mA, was einem Auslösestrom von 21 mA bei Raumtemperatur entspricht. Dies ist ein ziemlich enger Bereich, und ein Gerät, das bei 21 mA auslösen würde, könnte in einem degradierten Zustand bei 10 mA weiterarbeiten, was Schäden verursachen könnte. Bei oberflächenmontierten PTC-Sicherungen ist es ziemlich üblich, dass der Haltestrom die Hälfte des Auslösestroms beträgt, daher müssten Sie sicherstellen, dass, wenn Ihr Gerät beim Auslösestrom beschädigt werden würde, es nicht auch bei der Hälfte des Auslösestroms beschädigt würde. Wenn es bei der Hälfte des Auslösestroms beschädigt werden könnte, sollte es eine andere Methode haben, sich selbst abzuschalten, sobald es diesen Zustand erkennt, um Schäden zu vermeiden.

Glas-/Keramiksicherung

Wenn Ihr Gerät so gebaut ist, dass das Erreichen eines Stromschwellenwerts definitiv bedeutet, dass etwas schrecklich schiefgelaufen ist, könnte eine Glas- oder Keramiksicherung der richtige Weg sein. Eine Schnellschlagsicherung kann innerhalb von Millisekunden nach Überschreitung des Nennstroms ausfallen, während eine träge Sicherung es Ihnen ermöglicht, den Stromgrenzwert vorübergehend um einen kleinen Betrag zu überschreiten, wenn nötig, wie bei Einschaltstrom.

Nicht rückstellbare Sicherungen sind eine ziemlich endgültige Lösung, jedoch schützen sie nur vor Strömen, die die Nennleistung der Sicherung überschreiten. Erst vor einer Woche sah ich eine Labor-Stromversorgungsplatine von einer sehr hochwertigen Marke, die eine intakte Sicherung hatte, aber die Platine war an mehreren Stellen stark verschmort. Ein MOSFET auf der Platine hatte aus irgendeinem Grund versagt, und dieser Ausfall belastete die restlichen H-Brücken-MOSFETs zu stark, die anscheinend in einer schnellen, feurigen Folge versagten. Dennoch tat die Sicherung des Geräts nichts, da jeder einzelne MOSFET unter geringerer Last als die Nennleistung der Sicherung versagte.

Wenn Sie vorhaben, eine Sicherung zu verwenden, können Sie oberflächenmontierbare Sicherungen kaufen, die nicht vom Benutzer gewartet werden können, oder Sie können Halter für leicht verfügbare Sicherungen kaufen, die vom Benutzer gewartet werden können. Typischerweise bevorzuge ich es, Sicherungen nicht vom Benutzer wartbar zu machen, da es den Kunden zwingt, die Platine an Sie zurückzugeben, was Ihnen ermöglicht zu untersuchen, warum die Sicherung überhaupt durchgebrannt ist. Es ermöglicht Ihnen herauszufinden, ob der aktuelle Zustand, der die Sicherung zum Durchbrennen brachte, durch eine verschlechterte Komponente verursacht wurde, oder umgekehrt, der Stromverbrauch selbst eine Komponente verschlechtert hat. Einfach die Sicherung zu ersetzen und das Gerät wieder einzuschalten, könnte dazu führen, dass die Sicherung sofort wieder durchbrennt, oder schlimmer, die verschlechterte Komponente könnte unterhalb der Sicherungsschwelle versagen und viel größeren Schaden an Ihrem Gerät verursachen. Einige Leute hassen Sicherungen, die vom Anbieter gewartet werden müssen, aber sie könnten den Anbieter davor bewahren, eine Platine im Wert von Hunderten Dollar ersetzen zu müssen, wenn sie in der Lage sind, die Ursache des Sicherungsausfalls zu untersuchen.

Elektrostatische Entladung (ESD)

Wenn Sie in einer Region der Welt mit niedriger Höhe und hoher Luftfeuchtigkeit leben, dann ist ESD möglicherweise kein Faktor, der in Ihren Designprozess einfließt. Wenn Sie eine Stadt in großer Höhe oder mit niedriger Luftfeuchtigkeit wie Denver oder Calgary besuchen, werden Sie feststellen, dass Sie jeden und alles um sich herum mit Blitzen aus Ihren Fingerspitzen schockieren. Nur weil Sie in einer angenehmen Umgebung leben, in der sich keine Zehntausende von Volt auf Ihrer Haut aufbauen, um bei der ersten Gelegenheit entladen zu werden, bedeutet das nicht, dass Ihr Produkt dort nicht landen wird. Eine unbeabsichtigte Berührung von einem Benutzer, der auf Teppich gelaufen ist oder eine Jacke ausgezogen hat, die ihnen eine große statische Ladung gegeben hat, und Ihr Gerät könnte zerstört oder ernsthaft beschädigt werden.

Einen ausgezeichneten ESD-Schutz zu bieten, ist ein ziemlich großes Thema, daher wird dieser Artikel nur schnell die Optionen abdecken, ein weiterer Artikel, der den ESD-Schutz ausführlich behandelt, wird bald veröffentlicht.

TVS-Diode

Eine der günstigsten, zuverlässigsten Methoden für den ESD-Schutz bei Eingängen ist die TVS-Diode. TVS-Dioden bieten auch einen ausgezeichneten Schutz gegen unerwartete transiente Spannungen.

Bei den meisten Geräten, die ich entwerfe, füge ich jedem Eingang, den ein Benutzer berühren könnte oder dem mit einem Finger nahe kommen könnte, eine TVS-Diode hinzu. Eine Entladung von 22kV sollte in der Lage sein, etwa eine 20mm Lücke zu überspringen, daher ist es nicht garantiert, dass einfach eingelassene Pins an einem Stecker vor ESD schützen. TVS-Dioden sind günstig, kompakt und einfach in ein Design einzufügen, daher gibt es kaum einen Grund, sie nicht zu verwenden. Es gibt viele Geräte, die Hochfrequenzkommunikation wie USB 3.0 nicht stören, sodass sie bei allen Verbindungen verwendet werden können.

Obwohl ich erwähne, dass eine TVS-Diode möglicherweise einem sehr großen elektrostatischen Entladungsereignis nicht standhält, ermöglicht das Vorhandensein einer günstigen Diode in jeder Leitung, dass Sie die überwiegende Mehrheit der Entladungen ohne die großen Kosten einer Gasentladungsröhre überleben. Ich habe einige Ingenieure sagen hören, man sollte kein Geld für ESD-Schutz verschwenden, da er möglicherweise nicht vor allen Ereignissen schützt, jedoch ist die Tatsache, dass er gegen mindestens 95% von ihnen schützt, für mich ausreichend.

Gasentladungsröhren-Ableiter

Gasentladungsröhren eignen sich nicht besonders gut zum direkten Schutz eines Mikrocontroller-Eingangs, der an einer Verbindung exponiert ist, sondern sind außergewöhnlich gut geeignet, um AC-Hauptanschlüsse oder Telekommunikationsausrüstung vor ESD und sogar Blitzen zu schützen. Wenn Sie eine enorme Menge an Energie in Eile zur Erde leiten müssen, ist eine Gasentladungsröhre genau das, wonach Sie suchen.

Gasentladungsröhren funktionieren, indem die Spannung zwischen ihrem Eingang und der Erde das Gas im Inneren ionisiert. Sobald dieser Schwellenwert erreicht ist, kann das ionisierte Gas weit mehr Strom leiten, als ein Siliziumgerät derselben Größe fähig ist.

Wie ich sagte, sind diese nicht besonders nützlich zum Schutz Ihres Mikrocontrollers – die gelagerten Mengen von Gasentladungsröhren nach Überspannung durch Funkenentladung zeigen deutlich, warum. Ungefähr 20% haben eine Überspannung unter 100V, 20% zwischen 150V und 250V, 20% zwischen 250V und 350V, ein weiterer 20% liegt zwischen 350V und 1000V, der Rest ist über 1000V. Das gibt Ihnen eine gute Vorstellung von der Anwendung – sie werden häufig mit 110V-Geräten, 240/250V-Geräten, 380/400V-Geräten und anderen Geräten verwendet, mit nur ein paar Optionen für Geräte unter 90V verfügbar. Das macht Ihren 3,3V Mikrocontroller-Eingang wahrscheinlich durch die Spannung und den Strom verbrannt, wenn eine Gasentladungsröhre die ankommende Energie abfangen muss.

Wenn Sie ein Telekommunikationsgerät oder ein Gerät haben, das an AC-Strom angeschlossen ist und die Fähigkeit haben sollte, ein ESD-Ereignis von einem Installateur oder Blitz zu bewältigen, könnte die GDT die Arbeit für Sie erledigen. Günstige Gasentladungsröhren können problemlos 5.000Ampere bewältigen, und kompakte Optionen, die bis zu 25.000Ampere bieten, sind verfügbar.

Um so viel Strom zu bewältigen, muss ernsthaft über Ihre Erdungsverbindung rund um die Gasentladungsröhre nachgedacht werden, um sicherzustellen, dass Sie das Board nicht schützen, indem Sie den Erdungsrückweg verdampfen.

PCB-Funktionen

Der arme Manns ESD-Schutz kann ohne externe Komponenten gebaut werden. Eine hohe Spannung möchte so schnell und effizient wie möglich zur Erde gelangen und wird gerne etwas Luft ionisieren, um einen leitfähigen Pfad dorthin zu schaffen. Indem Sie ein paar Dreiecke auf der Leiterplatte erstellen, die aufeinander zeigen, eines vom zu schützenden Steckerpin und das andere auf der Masseebene, können Sie eine einfache Funkenstrecke erstellen. Mit einem ausreichend großen Abstand, über den ein ESD-Ereignis leicht überspringen könnte, aber der normale Gerätebetrieb nicht, können Sie einen rudimentären Schutz für Ihre Leiterplatte bieten.

Trotz der einfachen Handhabung stellen sich einige Ingenieure die Frage, ob Funkenstrecken die Zeit für die Konstruktion wert sind, da sie einige Nachteile haben. Wie bei der Gasentladungsröhre ist die Überschlagsspannung im Vergleich zu einer Logikpegelspannung relativ hoch. Das bedeutet, dass die Funkenstrecke wahrscheinlich nicht ausreicht, um den Eingang oder Ausgang Ihres Mikrocontrollers oder eines anderen Logikpegelgeräts vor dem ESD-Ereignis zu schützen. Das Vorhandensein eines Leiters und einer Erde, die einander ausgesetzt und eng beieinander liegen, kann auch dazu führen, dass Verunreinigungen die Lücke überbrücken und Strom leiten können, was ein Signal verzerren oder die Funktionalität der Verbindung beeinträchtigen könnte, wenn nicht sogar etwas direkt beschädigt wird.

Je nach Anwendung kann es klug sein, eine Funkenstrecke in Ihre Steckverbinder einzubauen, in anderen Anwendungen könnte dies jedoch zu einem vorzeitigen Geräteausfall führen.

Nachträglicher Schutz

Nicht aller Schutz, den Sie auf Ihre Leiterplatten anwenden, befindet sich nur in der Schaltung. Möglicherweise müssen Sie auch eine Substanz auf die Platine auftragen, um sicherzustellen, dass sie vor Korrosion und Feuchtigkeit geschützt ist oder um den elektrischen Schutz insgesamt zu verbessern.

Konformbeschichtung

Konformbeschichtung ist wunderbar für Leiterplatten, die vielen Umweltbelastungen ausgesetzt sein werden. Konform beschichtete Leiterplatten sind feuchtigkeitsresistent oder wasserdicht und immun gegen Staub oder andere Fremdkörper, die Kurzschlüsse auf der Platine verursachen könnten, und auch resistent gegen Korrosion durch die Atmosphäre. Konformbeschichtung kann bei Schaltungen, die moderaten Vibrationen ausgesetzt sind, helfen, indem sie zusätzlichen Halt und Stabilität für auf der Platine montierte Teile bietet.

Konformbeschichtung kann auf die Platine gesprüht oder aufgepinselt werden, abhängig von der Geometrie, die Sie abdecken müssen, sowohl in Bezug auf die Oberfläche als auch auf die Komplexität. Sie werden nicht wollen, dass Konformbeschichtung auf Steckverbinder oder Bereiche gelangt, an die Sie Drähte löten müssen, da sie den elektrischen Kontakt verhindern würde. Ein guter Prozentsatz von Auftragsfertigern, die sich auf Leiterplatten für raue Umgebungen spezialisieren oder viel Arbeit nach Militärspezifikationen durchführen, wird die Einrichtungen haben, um Konformbeschichtung robotergesteuert für Sie auf Ihre Leiterplatte aufzutragen. Bei geringen Stückzahlen ist es relativ schnell, sie von Hand aufzutragen.

Verguss

Wenn Sie dachten, Konformbeschichtung klingt gut, werden Sie die Idee lieben, Ihre Elektronik zu vergießen. Verguss bezieht sich in der Regel darauf, das Gehäuse Ihrer Leiterplatte mit einem nicht leitenden Harz wie Silikon oder Epoxid zu füllen, das Ihre Leiterplatte vollständig von neugierigen Händen isoliert und die Fähigkeit des Geräts, Stößen und Vibrationen standzuhalten, erheblich verbessert. Wenn Sie mit hohen Spannungen arbeiten, kann das Ersetzen von Luft durch eine viel weniger leitfähige Substanz es Ihnen ermöglichen, kleinere Kriechstrecken zwischen den Komponenten zu verwenden sowie die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls zu verringern, da Luft durch Ihre hohe Spannung ionisiert wird. Vergossene Elektronik wird typischerweise unempfindlich gegenüber der Umgebung sein, in der sie platziert wird, wobei das Harz als Barriere gegen Staub, Feuchtigkeit und korrosive Stoffe wirkt.

Sie werden am ehesten Verguss für Ihre Elektronik in Betracht ziehen, wenn Sie Anforderungen haben an:

• Explosionssicheres Design (d.h., keine Chance, dass Ihr Gerät in einer explosiven Atmosphäre eine Explosion verursacht.)
• Sehr hohe Spannung.
• Umgang mit hoher Vibration oder Stoß.
• Extreme Umweltbedingungen (z.B. Korrosion, Feuchtigkeit, Druck, Vakuum)

Wenn Sie Ihr Gerät mit einem Harz wie Epoxidharz vergießen, das praktisch unmöglich von jedem Bauteil zu entfernen ist, müssen Sie sich keine Sorgen machen, dass jemand Ihr Produkt reverse-engineert, da es für sie wahrscheinlich unpraktisch sein wird, auf die Platine und die Komponenten zuzugreifen.

Ein Nachteil ist, dass es auch für Sie praktisch unmöglich ist, auf die Platine und die Komponenten zuzugreifen. Das bedeutet, dass eine Platine nicht repariert oder diagnostiziert werden kann, sobald sie vergossen ist. Wenn also eine Platine ausfällt, nachdem der Benutzer sie erhalten hat, wird die einzige Option ein kompletter Ersatz sein.

Der andere Nachteil ist die schlechte Wärmeleitung. Es gibt thermisch leitfähige Harze, die eine verbesserte Wärmeableitung bieten können, jedoch können diese ziemlich teuer sein. Ihre Schaltplatte vollständig in einer Substanz zu kapseln, die weder Wärme noch Luft leitet, wird dazu führen, dass alle Geräte, die erhebliche Mengen an Wärme abführen müssen, aufgrund von Überhitzung ausfallen, während es auch die Verwendung von Kühlkörpern erschwert.

Während wir die für die meisten Menschen relevanten Schutzmethoden für Schaltungen besprochen haben, ist das PCB-Design in vielen verschiedenen Branchen integriert. Einige Anwendungen können drastischere Schutzmethoden erfordern, während andere mit sehr wenig Schutz auskommen können. Lassen Sie uns wissen, was Sie in dem Kommentarbereich unten denken.

Bleiben Sie auf dem Laufenden mit unseren neuesten Artikeln, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.