Ochrona przeciwprzepięciowa wewnętrzna a zewnętrzna: Co jest najlepsze dla całkowitej ochrony PCB

Gdy rozważamy środki ochrony przed przepięciami i transjentami, najwięcej uwagi poświęca się diodom TVS. Nie ma nic złego w diodach TVS, ponieważ są one doskonałym, niskokosztowym i małogabarytowym komponentem do ochrony sprzętu przed przepięciami i zdarzeniami ESD. Jednakże, te diody to nie jedyna opcja radzenia sobie z przepięciami. Zamiast tego, istnieją komponenty, które mogą być używane na płytce PCB i poza nią jako część kompleksowej strategii radzenia sobie z przepięciami i transjentami.

Jaki rodzaj ochrony przed przepięciami jest potrzebny?

Ochrona przed przepięciami jest potrzebna, gdy istnieje ryzyko wystąpienia przepięcia na głównym wejściu zasilania do urządzenia. W regulacjach EMC i standardach branżowych dotyczących konkretnych produktów, wymagane jest umieszczenie komponentów i obwodów ochrony przed przepięciami. Poziom ochrony przed przepięciami zależy od spodziewanego poziomu przepięcia i prądu rozruchowego, który mógłby wystąpić podczas zdarzenia. Projektując zgodnie z konkretnym standardem, minimalna wartość określona w standardzie powinna kierować projektowaniem i może dyktować wybór komponentów.

Ochrona przed przepięciami może być również zaimplementowana wewnątrz PCB jako zestaw komponentów lub na zewnątrz płytki jako gotowy moduł. To drugie rozwiązanie jest bardziej powszechne w urządzeniach, które są bezpośrednio podłączane do sieci elektrycznej (bez pośredniego zasilania) przy bardzo wysokich napięciach. Komponenty te zazwyczaj są po prostu zbyt duże, aby zmieścić się na PCB. Komponenty na płytce powinny być również stosowane w określonych miejscach, nawet jeśli wymagany jest zewnętrzny komponent, aby system mógł funkcjonować. Razem pozwalają one systemowi wytrzymać zdarzenia przejściowe o różnych magnitudach, które mogą być związane z silnymi przepięciami.

Wewnętrzna (na pokładzie) ochrona przed przepięciami

Rezystor ograniczający prąd rozruchowy - Przepięcia i włączanie zasilania z sieci AC w ogóle mogą powodować prądy rozruchowe, które mogą uszkodzić urządzenia podczas początkowej fazy włączania. Prądy rozruchowe można zmniejszyć i tłumić za pomocą stałego rezystora. Aby dobrać rezystor ograniczający prąd, należy użyć maksymalnego prądu, jakiego można się spodziewać podczas rozruchu, oraz szczytowego napięcia wejściowego, aby obliczyć moc rezystora. Rezystancja jest następnie obliczana przy użyciu tych wartości w prawie Ohma. Pozwoli to ogranicznikowi rozruchowemu ustawić prąd na wymagany poziom, bez przegrzewania się podczas fazy rozruchu.

Varistor - Varistory to nieliniowe rezystory sterowane napięciem. Innymi słowy, są to komponenty, których oporność stałoprądowa jest funkcją napięcia wejściowego, którego doświadczają. Te komponenty działają w pewnym sensie jak diody, ponieważ początkowo mają wysoką oporność, ale powyżej pewnego progu napięcia roboczego ich oporność może się zmniejszyć. Pozwala to na zmniejszenie wielkości zdarzenia przepięcia poprzez tłumienie przeskoków napięcia na jego narastającym brzegu. Te komponenty są budowane na popularnych materiałach półprzewodnikowych, lub mogą być metalowo-tlenkowymi warystorami (MOV).

Rurka gazowa - Te komponenty są umieszczane w poprzek wejść zasilających. Mogą zapewnić bardzo wysoką ochronę przed przepięciami, gdy są umieszczone przed dwukierunkowymi/jednokierunkowymi diodami TVS na pinach komponentów. W tej konfiguracji rurka gazowa będzie kierować wyższe przepięcia i przeskoków mocy, podczas gdy wolniejsza/niższa część przepięcia będzie obsługiwana przez diody TVS. Mniejsze rurki gazowe są typowym komponentem używanym w ochronnikach przepięciowych do listew zasilających AC i zasilaczy.

Termistory NTC - Termistor o negatywnym współczynniku temperatury (NTC) może być używany jako czujnik lub jako ochraniacz przeciwprzepięciowy. Komponent ten doświadcza redukcji oporności w miarę wzrostu swojej temperatury. Oznacza to, że gdy występuje przepięcie i zaczyna się napływ prądu, część energii jest początkowo tracona na termistorze i zamieniana na ciepło. Następnie oporność termistora maleje, co pozwala reszcie energii przepłynąć dalej do innego komponentu ochrony przeciwprzepięciowej, zwykle diod TVS. Czasami są one używane szeregowo z rurką wyładowczą gazową.

Dioda TVS - Na koniec warto wspomnieć o diodach TVS. Są one głównym źródłem ochrony przed przepięciami zarówno w niskonapięciowych magistralach, jak i liniach danych. Na niskonapięciowych magistralach, takich jak linia +5 V pochodząca z złącza USB, można wybrać małe diody TVS, aby zapewnić bardzo precyzyjną ochronę przed przepięciami, które mogą radzić sobie z silnymi przepięciami i szybkimi transientami. Aby dowiedzieć się więcej o użyciu diod TVS, przeczytaj ten artykuł.

Wyłącznik obwodu montowany na PCB - W końcu dostępne są miniaturowe wyłączniki obwodów, które mogą być montowane na PCB, zazwyczaj jako komponenty przelotowe. Te wyłączniki mogą mieć wysokie wartości prądowe (dziesiątki amperów); zwykle mają wysoki profil i powinny być montowane na krawędzi dla dostępu do przełącznika wyłącznika. Te urządzenia funkcjonują w ten sam sposób co ich odpowiedniki montowane w obudowie/szafie.

Ochrona przed przepięciami zewnętrznymi

Zewnętrzne urządzenia, które mogą być używane do ochrony przed przepięciami, obejmują moduły wykonujące powyższe funkcje, jak również wyłączniki obwodów. Te komponenty mogą być montowane w obudowie, lub w stojaku lub szafie, po prostu dlatego, że są zbyt duże, aby montować je bezpośrednio na PCB. Te komponenty mogą następnie łączyć się z dużymi zaciskami śrubowymi na PCB za pomocą przewodów o niskim przekroju, w zależności od zaangażowanych prądów. Te komponenty będą zwykle używane z napięciami linii AC i/lub wysokimi napięciami DC, takimi jak pokazany poniżej ogranicznik przepięć Allen-Bradley.

Czy warto płacić więcej za zewnętrzny ogranicznik przepięć?

Odpowiedź na to pytanie zależy od miejsca, w którym urządzenie jest wdrażane. Te ograniczniki będą najprawdopodobniej używane w większych systemach, takich jak te znajdujące się w środowiskach przemysłowych, na dużych statkach morskich, a nawet w samolotach. Dla najbardziej konserwatywnych wdrożeń i systemów, które muszą zapewniać jak najwyższą możliwą dostępność i wytrzymać bardzo wysokie przepięcia, zewnętrzne ograniczniki są warte dodatkowych kosztów komponentów.

Nawet jeśli używasz zewnętrznego ogranicznika przepięć, komponenty na pokładzie również powinny być uwzględnione. Całkowite koszty związane z montażem tych komponentów w projekcie są minimalne, nawet jeśli podjęte zostaną wszystkie powyższe środki ostrożności. Wszystkie te komponenty razem chronią przed różnymi awariami, przepięciami i transjentami w całym systemie, a nie tylko przed przepięciem przy głównym połączeniu zasilającym czy wejściu zasilania.

Kiedy będziesz gotowy, aby stworzyć swoje obwody ochrony przed przepięciami i BOM dla swojego systemu, upewnij się, że używasz kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer^®. Altium Designer to wiodąca na rynku platforma CAD, która zapewnia narzędzia do projektowania obwodów, symulacji i pozyskiwania komponentów w aplikacji. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.