Protection contre les surtensions internes versus externes : Quelle est la meilleure solution pour une protection totale des PCB

Lorsque nous examinons les mesures pour se protéger contre les surtensions et les transitoires, les diodes TVS reçoivent la majorité de l'attention. Il n'y a rien de mal avec les diodes TVS car elles constituent un excellent composant à faible coût et peu encombrant pour protéger les équipements contre les surtensions et les événements ESD. Cependant, ces diodes ne sont pas la seule option pour faire face aux surtensions. Au lieu de cela, il existe des composants qui peuvent être utilisés sur et hors du PCB dans le cadre d'une stratégie globale pour résister aux surtensions et aux transitoires.

Quel type de protection contre les surtensions est nécessaire ?

Une protection contre les surtensions est nécessaire lorsqu'il y a un danger de surtension sur l'entrée d'alimentation principale arrivant dans un appareil. Il existe des exigences dans les réglementations CEM et les normes industrielles sur des produits spécifiques, qui exigent alors le placement de composants et de circuits de protection contre les surtensions. Le niveau de protection contre les surtensions dépend du niveau de surtension attendu et de l'inrush de courant qui serait expérimenté pendant l'événement. Si la conception est faite selon une norme spécifique, la valeur minimale décrite dans la norme devrait guider la conception et peut dicter la sélection des composants.

La protection contre les surtensions peut également être intégrée à la PCB sous forme d'un ensemble de composants, ou externe à la carte sous forme de module pré-emballé. Ce dernier est plus courant pour les dispositifs qui se connectent directement au secteur (sans alimentation intermédiaire) à des tensions très élevées. Ces composants ont tendance à être simplement trop grands pour être intégrés sur une PCB. Les composants embarqués doivent également être utilisés dans des emplacements ciblés, même si un composant externe est nécessaire pour que le système fonctionne. Ensemble, ils permettent à un système de résister à des événements transitoires de différentes magnitudes qui peuvent être associés à de fortes surtensions.

Protection contre les surtensions interne (embarquée)

Résistance limitatrice de courant d'appel - Les surtensions, et la mise sous tension à partir du secteur en général, peuvent permettre des courants d'appel qui peuvent endommager les dispositifs pendant la phase d'allumage initial. Les courants d'appel peuvent être réduits et amortis avec une résistance fixe. Pour dimensionner une résistance limitatrice de courant, utilisez le courant maximum que vous pouvez attendre au moment de l'appel et la tension d'entrée maximale pour calculer la puissance nominale de la résistance. La résistance est ensuite calculée en utilisant ces valeurs dans la loi d'Ohm. Cela permettra au limiteur d'appel de régler le courant au niveau requis sans brûler pendant la phase d'appel.

Varistor - Les varistances sont des résistances contrôlées par la tension non linéaires. En d'autres termes, ce sont des composants dont la résistance en courant continu est une fonction de la tension d'entrée qu'ils subissent. Ces composants fonctionnent quelque peu comme des diodes car ils ont initialement une haute résistance, mais au-dessus d'un certain seuil de tension de fonctionnement, leur résistance peut diminuer. Cela leur permet de réduire l'ampleur d'un événement de surtension en amortissant la pointe de surtension lors de sa montée. Ces composants sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs populaires, ou ils peuvent être des varistances à oxyde métallique (MOV).

Tuyau de Décharge de Gaz - Ces composants sont placés à travers les entrées de puissance. Ils peuvent fournir une protection très élevée contre les transitoires de tension lorsqu'ils sont placés en amont de diodes TVS bidirectionnelles/unidirectionnelles sur les broches des composants. Dans cette configuration, un tube de décharge de gaz ciblera les transitoires de tension plus élevées et les surtensions, tandis que la partie plus lente/de tension plus basse d'un transitoire sera gérée avec les diodes TVS. Les petits tubes de décharge de gaz sont les composants typiquement utilisés dans les protecteurs de surtension pour les multiprises de courant alternatif et les alimentations électriques.

Thermistances NTC - Une thermistance à coefficient de température négatif (NTC) peut être utilisée comme capteur ou comme protecteur contre les surtensions. Le composant subit une réduction de résistance à mesure que sa température augmente. Cela signifie que, lorsqu'une surtension se produit et que le début de l'inrush de courant commence, une partie de l'énergie est initialement déposée à travers la thermistance et est convertie en chaleur. La résistance de la thermistance diminue ensuite et permet au reste de l'énergie de passer en aval vers un autre composant de protection contre les surtensions, typiquement des diodes TVS. Ces dernières seront parfois utilisées en série avec un tube à décharge de gaz.

Diode TVS - Enfin et surtout, j'ai inclus les diodes TVS. Ce sont les sources privilégiées pour la protection contre les surtensions sur les bus de basse tension et les lignes de données. Sur les bus de basse tension, comme la ligne de +5 V provenant d'un connecteur USB, de petites diodes TVS peuvent être sélectionnées pour fournir une protection très fine contre les surtensions qui peut gérer de fortes surtensions et des transitoires rapides. Pour en savoir plus sur l'utilisation des diodes TVS, lisez cet article.

Disjoncteur Monté sur PCB - Enfin, il existe des disjoncteurs miniatures qui peuvent être montés sur PCB, typiquement en tant que composants traversants. Ces disjoncteurs peuvent avoir des valeurs de courant élevées (dizaines d'Ampères) ; ils ont tendance à avoir un profil haut et doivent être montés en bordure pour accéder à l'interrupteur du disjoncteur. Ces dispositifs fonctionnent de la même manière que leurs homologues montés en boîtier ou en armoire.

Protection contre les Surtensions Externes

Les dispositifs externes qui peuvent être utilisés pour la protection contre les surtensions incluent des modules qui effectuent les fonctions mentionnées ci-dessus, ainsi que des disjoncteurs. Ces composants peuvent être montés en boîtier, ou dans un rack ou une armoire, simplement parce qu'ils sont trop grands pour être montés directement sur un PCB. Ces composants peuvent ensuite se connecter à de grandes bornes à vis sur le PCB par l'intermédiaire de câblages de faible calibre, selon les courants impliqués. Ces composants seront typiquement utilisés avec des tensions de ligne AC et/ou des hautes tensions DC, comme le parafoudre Allen-Bradley montré ci-dessous.

Est-il Justifié de Payer Plus pour un Parafoudre Externe ?

La réponse à cette question dépend de l'endroit où un dispositif est déployé. Ces parafoudres seront très probablement utilisés dans des systèmes plus importants comme ceux que l'on trouve dans les environnements industriels, maritimes (grands navires) et même dans les avions. Pour les déploiements et systèmes les plus conservateurs, qui doivent avoir la plus haute disponibilité possible et résister à de très fortes surtensions, les parafoudres externes valent le coût supplémentaire des composants.

Même si vous utilisez un parafoudre externe, des composants embarqués devraient également être inclus. Le coût total impliqué dans l'intégration de ces composants dans un design est minimal, même si toutes les précautions ci-dessus sont prises. Tous ces composants pris ensemble protègent contre une gamme de défauts, de surtensions et de transitoires dans tout un système, et pas seulement une surtension au niveau de la connexion principale ou de l'entrée d'alimentation.

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