Protezioni contro le Sovratensioni Interne rispetto a quelle Esterne: Qual è la Migliore per una Protezione Totale del PCB

Quando esaminiamo le misure per proteggerci dai picchi di tensione e dai transitori, i diodi TVS ricevono la maggior parte dell'attenzione. Non c'è nulla di sbagliato nei diodi TVS poiché sono un eccellente componente a basso costo e poco ingombrante per proteggere le apparecchiature dai picchi di tensione e dagli eventi ESD. Tuttavia, questi diodi non sono l'unica opzione per affrontare i picchi di potenza. Invece, ci sono componenti che possono essere utilizzati sia sulla PCB che fuori di essa come parte di una strategia comprensiva per resistere ai picchi di tensione e ai transitori.

Quale tipo di protezione dai picchi è necessaria?

La protezione dai picchi è necessaria quando c'è il pericolo che si verifichi un picco di tensione sull'ingresso di alimentazione principale che entra in un dispositivo. Ci sono requisiti nelle normative EMC e negli standard di settore su prodotti specifici, che richiedono quindi il posizionamento di componenti e circuiti di protezione dai picchi. Il livello di protezione dai picchi dipende dal livello di picco di tensione previsto e dall'inrush di corrente che si verrebbe a creare durante l'evento. Se si progetta secondo uno standard specifico, il valore minimo delineato nello standard dovrebbe guidare il design e può dettare la selezione dei componenti.

La protezione contro le sovratensioni può essere trovata internamente alla PCB come un insieme di componenti, o esternamente alla scheda come un modulo preconfezionato. Quest'ultimo è più comune per dispositivi che si collegano direttamente alla rete elettrica (senza un'alimentazione intermedia) a tensioni molto alte. Questi componenti tendono semplicemente ad essere troppo grandi per essere montati su una PCB. I componenti a bordo dovrebbero anche essere utilizzati in posizioni mirate, anche se un componente esterno è necessario affinché il sistema funzioni. Insieme, permettono a un sistema di resistere a eventi transitori con diverse magnitudini che possono essere associati a forti sovratensioni.

Protezione da Sovratensioni Interna (A Bordo)

Resistore Limitatore di Corrente di Accensione - Le sovratensioni, e l'accensione dell'alimentazione dalla rete AC in generale, possono permettere correnti di accensione che possono danneggiare i dispositivi durante la fase iniziale di accensione. Le correnti di accensione possono essere ridotte e smorzate con un resistore fisso. Per dimensionare un resistore limitatore di corrente, utilizzare la corrente massima che ci si può aspettare in fase di accensione e la tensione di ingresso di picco per calcolare la potenza del resistore. La resistenza viene poi calcolata utilizzando quei valori nella legge di Ohm. Questo permetterà al limitatore di accensione di impostare la corrente al livello richiesto senza bruciarsi durante la fase di accensione.

Varistore - I varistori sono resistori controllati in tensione non lineari. In altre parole, sono componenti la cui resistenza in corrente continua è una funzione della tensione di ingresso che sperimentano. Questi componenti operano in modo simile ai diodi poiché inizialmente presentano un'alta resistenza, ma superata una certa soglia di tensione di lavoro la loro resistenza può diminuire. Ciò consente loro di ridurre l'entità di un evento di sovratensione smorzando il picco di sovratensione nella sua fase ascendente. Questi componenti sono realizzati con materiali semiconduttori popolari, oppure possono essere varistori a ossido metallico (MOV).

Tubo a Scarica di Gas - Questi componenti sono posizionati attraverso gli ingressi di alimentazione. Possono fornire una protezione da sovratensioni transitorie molto elevata se posizionati a monte di diodi TVS bidirezionali/unidirezionali sui pin dei componenti. In questa configurazione, un tubo a scarica di gas si occuperà delle sovratensioni e dei picchi di potenza più elevati, mentre la parte più lenta e di tensione inferiore di una transitoria sarà gestita con i diodi TVS. I tubi a scarica di gas più piccoli sono il componente tipico utilizzato nei dispositivi di protezione da sovratensioni per ciabatte elettriche e alimentatori AC.

Termistori NTC - Un termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) può essere utilizzato come sensore o come protettore da sovratensioni. Il componente sperimenta una riduzione della resistenza all'aumentare della sua temperatura. Questo significa che, quando si verifica un picco di tensione e inizia l'ingresso di corrente, parte dell'energia viene inizialmente dissipata attraverso il termistore e convertita in calore. La resistenza del termistore poi diminuisce e permette al resto dell'energia di passare a valle verso un altro componente di protezione da sovratensioni, tipicamente diodi TVS. Questi possono talvolta essere utilizzati in serie con un tubo a scarica di gas.

Diodo TVS - Ultimo ma non meno importante, ho incluso i diodi TVS. Questi sono le principali fonti di protezione da sovratensioni sia su bus a bassa tensione che su linee dati. Sui bus a bassa tensione, come la linea da +5 V proveniente da un connettore USB, si possono selezionare piccoli diodi TVS per fornire una protezione molto precisa da sovratensioni che possono gestire forti picchi e transitori rapidi. Per saperne di più sull'uso dei diodi TVS, leggi questo articolo.

Interruttore Automatico Montato su PCB - Infine, esistono interruttori automatici miniaturizzati che possono essere montati su PCB, tipicamente come componenti passanti. Questi interruttori possono avere valori di corrente elevati (decine di Ampere); tendono ad avere un profilo alto e dovrebbero essere montati ai bordi per consentire l'accesso all'interruttore. Questi dispositivi funzionano allo stesso modo dei loro corrispettivi montati in armadietto o contenitore.

Protezione Esterna da Sovratensioni

I dispositivi esterni che possono essere utilizzati per la protezione da sovratensioni includono moduli che eseguono le funzioni sopra descritte, così come interruttori automatici. Questi componenti possono essere montati in un armadietto, o su un rack, semplicemente perché sono troppo grandi per essere montati direttamente su un PCB. Questi componenti possono poi connettersi a terminali a vite grandi sul PCB tramite cablaggi di piccolo calibro, a seconda delle correnti coinvolte. Questi componenti verranno tipicamente utilizzati con tensioni di linea AC e/o alte tensioni DC, come il limitatore di sovratensione Allen-Bradley mostrato di seguito.

Conviene Pagare di Più per un Limitatore di Sovratensione Esterno?

La risposta a questa domanda dipende dal luogo in cui un dispositivo viene impiegato. Questi dispositivi di protezione saranno molto probabilmente utilizzati in sistemi di grandi dimensioni come quelli che si trovano negli ambienti industriali, marittimi (grandi navi) e persino negli aerei. Per le implementazioni e i sistemi più conservativi, che devono garantire la massima disponibilità possibile e resistere a sovratensioni molto elevate, i dispositivi di protezione esterni valgono il costo aggiuntivo dei componenti.

Anche se si utilizza un arrestatore di sovratensione esterno, è necessario includere anche componenti on-board. I costi totali per l'installazione di questi componenti in un progetto sono minimi, anche se si prendono tutte le precauzioni sopra menzionate. Tutti questi componenti, presi insieme, proteggono contro una gamma di guasti, sovratensioni e transitori in tutto il sistema, non solo una sovratensione alla connessione principale o all'ingresso dell'alimentazione.

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