Ochrona Twojego Obwodu

Projektowanie PCB to skomplikowany proces, który zależy od wielu czynników. Inżynierowie zazwyczaj mają za zadanie szukać rozwiązań ekonomicznych, jednocześnie utrzymując wysoką niezawodność swoich produktów końcowych. Dodanie szeregu środków ochronnych do płytki obwodu może zwiększyć koszt jednostkowy, ale może również znacznie zmniejszyć wskaźnik awarii w rzeczywistym użytkowaniu, które wiążą się z własnymi kosztami wsparcia i wymiany. W wielu scenariuszach dodatkowy koszt jednostkowy byłby nieistotny w porównaniu z kosztami wsparcia i wymiany, co czyni ochronę obwodu niezbędnym mechanizmem oszczędzania pieniędzy. W tym artykule przyjrzymy się urządzeniom ochronnym, które możesz dodać do swojego obwodu, które nie tylko pomogą uczynić go bardziej odpornym na błędy użytkownika, słabą jakość zasilania i nieoczekiwane zdarzenia, ale także zapewnią, że będzie bardziej prawdopodobne, iż przejdzie testy zgodności. Przejdziemy przez powszechnie napotykane problemy z bezpieczeństwem, zaczynając od zakłóceń elektromagnetycznych.

Zakłócenia Elektromagnetyczne (EMI)

Zmniejszenie promieniowanej energii elektromagnetycznej jest kluczowe dla spełnienia wymogów zgodności z kompatybilnością elektromagnetyczną. Ponadto, ponieważ zakłócenia elektromagnetyczne działają w obie strony, urządzenia muszą być zaprojektowane z myślą o zdolności radzenia sobie z nadchodzącymi zakłóceniami. Dla większości urządzeń obwody ochronne dla wejść i wyjść będą takie same, więc to, co pozwala przejść przez test zgodności, prawdopodobnie również ochroni przed pobieraniem energii, która zaszkodzi integralności sygnału w twoim produkcie.

Poza zwykłymi wymaganiami zgodności z kompatybilnością elektromagnetyczną, możesz projektować urządzenie, które znajdzie się w środowisku przemysłowym pełnym dużych prądów płynących do silników lub innych urządzeń energochłonnych, lub w pobliżu potężnego urządzenia radiowego. Kable podłączone do twojego urządzenia mogą odebrać znaczące napięcie z indukowanych pól, co uczyniłoby odczyty czujników niewiarygodnymi lub utrudniło komunikację. Co gorsza, twoje urządzenie może być podłączone do szyny zasilającej, która również zasila te urządzenia generujące hałas elektryczny, pozwalając zakłóceniom elektromagnetycznym przedostać się bezpośrednio do twojego obwodu przez połączenie zasilające.

Koralik ferrytowy

Koralik ferrytowy, lub chip (montaż powierzchniowy), jest jedną z najtańszych i najprostszych metod ochrony, którą możesz dodać do swojej płytki obwodu. Skromny ferryt tłumi wysokoczęstotliwościowe zakłócenia w miejscu, w którym jest umieszczony, chroniąc obie strony przed zakłóceniami generowanymi po drugiej stronie. Każdy przewodzący kabel podłączony do twojego urządzenia jest anteną, chyba że ma skuteczną osłonę. Ten kabel może zbierać zakłócenia z otoczenia i również emitować zakłócenia z twojego obwodu.

Koralik ferrytowy działa jako filtr dolnoprzepustowy w twoim obwodzie, tworząc wysoką rezystancję dla sygnałów wysokoczęstotliwościowych. Krytyczną specyfikacją przy wyborze koralika ferrytowego jest jego impedancja przy danych częstotliwościach, która jest najczęściej mierzona albo przy 1MHz, albo 100MHz. Ta specyfikacja będzie podana w omach, ponieważ koralik ferrytowy będzie się wydawał sygnałom o określonej częstotliwości jak rezystor tej wartości.

Kolejną kluczową specyfikacją dla Twojego obwodu jest oporność stałoprądowa (DCR(MAX)), która jest opornością szeregową ferrytu na sygnał stałoprądowy. Ta oporność szeregowa jest ważna, ponieważ będzie miała wpływ na Twój obwód, i jeśli próbujesz przepuścić duży prąd wzdłuż przewodnika szeregowo z ferrytem, możesz odkryć, że ferryt mocno się nagrzewa – stąd specyfikacja dotycząca dopuszczalnego prądu, którą należy rozważyć w takich przypadkach.

Koraliki ferrytowe/płytki powinny być stosowane hojnie na przewodnikach o niskiej częstotliwości i stałoprądowych, aby zmniejszyć wpływ zarówno promieniowanego, jak i odbieranego hałasu na kable. Możesz również rozważyć użycie jednego lokalnie w szeregu do szyny zasilającej wrażliwego komponentu na płytce obwodu, takiego jak te obecne w obwodach analogowych pracujących z bardzo niskimi sygnałami napięciowymi, gdzie hałas w szynie zasilającej może przeniknąć do sygnału.

Filtr Pi

Gdzie płytki ferrytowe działają jako wysoka oporność na sygnał zmiennoprądowy, cewki indukcyjne zapewniają wysoką impedancję. Cewki indukcyjne są rzadziej używane do ochrony wejść lub wyjść urządzeń niż koraliki ferrytowe, jednak, jeśli są sparowane z dwoma kondensatorami, mogą być potężnym narzędziem do redukcji hałasu przewodzonego. Filtr Pi nazwano tak, ponieważ wygląda jak grecka litera π, z cewką indukcyjną na górze, a dwie nogi stanowią kondensatory. Tworzy to wysoce skuteczny filtr dolnoprzepustowy, z dwoma kondensatorami działającymi jako odłączanie, a cewka indukcyjna zapewniająca wysoką impedancję dla sygnałów.

Jeśli Twoje urządzenie otrzymuje zasilanie z potencjalnie hałaśliwego źródła, lub ma w sobie duży zasilacz impulsowy, filtr Pi na wejściu prawdopodobnie zapewni znaczną redukcję problemów z EMI. Cewki indukcyjne zwykle mają znacznie większą impedancję i zdolności do obsługi prądu niż płytki ferrytowe, a także niższą oporność szeregową. Jeśli przez Twój przewodnik płynie kilka amperów, lub występuje na nim znaczna ilość hałasu, to filtr Pi prawdopodobnie zapewni lepszą ochronę niż płytki ferrytowe.

Większość powierzchniowo montowanych, nawiniętych drutem, cewek indukcyjnych z rdzeniem ferrytowym jest dostępna w wersji ekranowanej. Ponieważ używasz cewki indukcyjnej do redukcji hałasu, ekranowane cewki indukcyjne zapewniają dodatkową ochronę.

Rezystor zakończeniowy szeregowy

Jeśli masz linię sygnałową, która ma częstotliwość powyżej kilku setek kiloherców, możesz rozważyć dodanie rezystora zakończeniowego 50omów do linii, aby zapewnić dopasowanie impedancji i zmniejszyć odbicia. W liniach transmisji cyfrowych, odbicia od nieprawidłowo zakończonego sygnału mogą tworzyć niejednoznaczność poziomów logicznych, co skutkuje uszkodzeniem danych. W liniach analogowych, odbicia mogą powodować straty mocy i efekty duchów w sygnale.

Chociaż to nie jest tyle metoda ochrony, co dobra praktyka projektowa, warto to tutaj wspomnieć.

Ekran RF

Jeśli projektujesz produkt RF, obwód zajmujący się bardzo niskimi sygnałami czujników napięcia, lub jeden w bardzo niekorzystnym środowisku elektromagnetycznym, ostatecznym rozwiązaniem na znaczne zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych jest zamknięcie układu w osłonie RF. Osłona RF jest uziemiona, co zapobiega przedostawaniu się jakichkolwiek zakłóceń elektromagnetycznych do wnętrza lub na zewnątrz narażonych przewodników i komponentów obwodu. Co więcej, dobrze zaprojektowana, solidna masa umieszczona na PCB, do której montowane są komponenty, zapobiegnie ucieczce lub przedostawaniu się hałasu od spodu. Jednakże, hałas może i będzie wchodzić i wychodzić przez przewodniki do osłoniętego układu. Inne środki, takie jak chipy ferrytowe, mogą złagodzić hałas przewodzony.

Osłony RF można kupić w różnych rozmiarach i są dość opłacalne do wykonania na zamówienie, nawet przy niskiej ilości 100 sztuk.

Jeśli nie jesteś pewien, czy twoja płyta potrzebuje osłony RF, czy nie, łatwiej jest zaprojektować ją na PCB i nie umieszczać jej, niż później modyfikować płytę i dodawać wzór lądowania dla niej. Pozwala to zdecydować się na niekorzystanie z osłony RF, jeśli okaże się niepotrzebna podczas testów.

Odwrócona polaryzacja

W przeciwieństwie do filmów sci-fi, kiedy kapitan lub inżynier krzyczy „odwróć polaryzację”, zazwyczaj w bitwie lub innej dramatycznej sytuacji, odwrócenie polaryzacji zasilania w rzeczywistym świecie jest bardziej prawdopodobne, że uwolni magiczny dym niż wygeneruje pole siłowe. Jeśli użytkownik użyje niewłaściwego typu kabla zasilającego lub złącze wejściowe nie jest spolaryzowane, łatwo może dojść do odwrócenia polaryzacji zasilania urządzenia, co może spalić każdy komponent w obwodzie.

Na szczęście, ochrona przed zdarzeniami odwrotnej polaryzacji jest łatwa.

Diody wejściowe

Najprostszym sposobem dodania ochrony przed odwrotną polaryzacją jest po prostu dodanie diody szeregowo z twoim dodatnim przewodnikiem. Dioda będzie przewodzić tylko w przód, więc jeśli wejścia są podłączone nieprawidłowo, prąd nie będzie płynął.

Istnieją jednak poważne wady tego podejścia, które są związane ze spadkiem napięcia przewodzenia diody. Jeśli zasilasz swoje urządzenie dokładnie napięciem, którego potrzebuje do funkcjonowania, dioda może obniżyć napięcie poniżej punktu, w którym urządzenie będzie działać niezawodnie.

Jeśli twoje urządzenie zużywa umiarkowaną ilość energii, dioda może się przegrzewać, ponieważ rozprasza moc proporcjonalnie do wielkości prądu i spadku napięcia przewodzenia. Jeśli wybierzesz diodę, która ma wystarczającą zdolność do radzenia sobie z tym nagrzewaniem, może dostarczyć wystarczająco dużo ciepła do płytki drukowanej, aby spowodować, że inne komponenty będą działać niezawodnie, lub zmniejszyć żywotność urządzenia z powodu zwiększonego rozpraszania ciepła w obudowie.

Jeśli twoje urządzenie jest zasilane bateryjnie, dioda wejściowa zmniejszy żywotność baterii lub naładowanie z powodu strat efektywności wynikających ze zwiększonego rozpraszania diody. To spowoduje konieczność użycia większej, cięższej, droższej baterii, aby zapewnić taki sam czas pracy.

Dlatego dioda wejściowa jest ogólnie tylko dobrym rozwiązaniem dla urządzenia o niskim prądzie, które ma napięcie robocze niższe niż jego napięcie wejściowe. Dobrym przykładem tego byłby podstawowy obwód mikrokontrolera pracujący przy 3,3v lub niższym, zasilany kablem USB.

Mostek prostowniczy

Jeśli spadek napięcia przewodzenia diody oraz związane z tym ciepło/nieefektywność nie stanowią problemu dla twojej aplikacji, możesz również całkowicie zignorować polaryzację, używając na wejściu mostka prostowniczego. Prosty mostek prostowniczy zapewni ci zawsze niezawodne szyny napięcia dodatniego i ujemnego (lub masy), niezależnie od sposobu zasilania urządzenia.

Używałem tego podejścia w urządzeniach o bardzo niskiej mocy, ultraminiaturowych, gdzie użytkownik dostarczał własne zasilanie, lutowając przewody do płytki. Ryzyko błędu użytkownika było wysokie, a nieefektywność mostka prostowniczego miała znikomy wpływ na urządzenie lub konkretną aplikację.

MOSFET

W przeciwieństwie do wyżej wymienionej diody, MOSFET charakteryzuje się bardzo niską rezystancją w stanie przewodzenia i może zapewnić ochronę przed odwrotną polaryzacją dla obwodów prądu stałego zużywających setki amperów, lub bardzo efektywnie chronić przed odwrotną polaryzacją w obwodach zasilanych z baterii. Ze względu na niską rezystancję w stanie przewodzenia, praktycznie nie ma dodatkowego obciążenia termicznego obwodu.

MOSFET można użyć do ochrony przed odwrotną polaryzacją, pod warunkiem, że obwód ma pojedynczy terminal zasilania dodatniego napięcia (używając MOSFET-a typu P-Channel) lub pojedynczą ścieżkę powrotu do masy (używając MOSFET-a typu N-Channel). Jeśli układ połączonych urządzeń lub alternatywne wejścia napięcia stworzyłyby alternatywną ścieżkę zasilania lub powrotu, to podejście nie będzie miało zastosowania.

MOSFET typu N-Channel charakteryzuje się niższą rezystancją RDS(ON) niż MOSFET typu P-Channel w tej samej cenie, co czyni go preferowanym rozwiązaniem dla mnie, gdy jest to możliwe. W urządzeniach, które muszą mieć cały czas połączoną ścieżkę powrotu do masy, MOSFET typu P-Channel jest jednak bardzo wydajnym rozwiązaniem w porównaniu z diodą.

Aby dodać ochronę przed odwrotnym napięciem za pomocą MOSFET-ów, możemy wykorzystać kilka ich właściwości. Po pierwsze, diodę ciała, która pozwala na przewodzenie z pinów źródła do drenu, a po drugie, fakt, że MOSFET-y mogą przewodzić prąd w obu kierunkach, gdy bramka jest naładowana.

MOSFET typu N-Channel

MOSFET typu N-Channel jest instalowany na ścieżce powrotu do masy, przy połączeniu zasilania z diodą ciała zorientowaną tak, aby przewodziła, gdy obwód jest zasilany prawidłową polaryzacją. Bramka jest następnie połączona z dodatnim szyną napięcia zasilania urządzenia. Dioda ciała zamyka obwód, gdy podłączone jest prawidłowe napięcie zasilania, pozwalając na aktywację bramki i zwarcie diody ciała.

MOSFET typu P-Channel

Układ dla MOSFET-a typu P-Channel jest w zasadzie odwrotnością układu dla MOSFET-a typu N-Channel. Dioda ciała jest zorientowana tak, aby przewodziła prąd z dodatniego zasilania do reszty obwodu, z bramką połączoną z masą. Gdy zostanie przyłożone prawidłowe napięcie polaryzacji, bramka staje się niska i ładuje MOSFET, co powoduje zwarcie diody ciała, co powoduje, że MOSFET przewodzi normalnie, zamykając obwód.

Przeciążenie prądowe

Jeśli Twój produkt posiada kable lub urządzenia, które mogą zużywać dużo prądu, jeśli zostaną postawione w niewłaściwym stanie (takim jak zablokowany silnik), ochrona przed przeciążeniem może uratować sytuację. Kable mogą ulec wewnętrznemu uszkodzeniu lub mogą zostać uszkodzone przez zewnętrzne siły, co powoduje zwarcie przewodów i indukowanie wysokiego obciążenia prądowego na Twojej płytce. Może to szybko podgrzać ścieżki, które nie były przeznaczone do takiego obciążenia, powodując ich awarię, lub przeciążenie zasilacza lub innego urządzenia podłączonego do tych przewodów.

Bezpiecznik samoresetujący

Bezpiecznik z dodatnim współczynnikiem temperatury (PTC) to urządzenie ochronne, które zapewnia odłączenie zasilania obwodu, jeśli pobór prądu przekroczy jego nominalną wartość. Po spadku poboru prądu do normy, bezpiecznik zaczyna ponownie przewodzić. Jeśli Twoje wymagania prądowe przekraczają około 10 amperów, lub napięcie przekracza około 60 V, wtedy bezpieczniki samoresetujące nie są dla Ciebie i będziesz musiał rozważyć alternatywne opcje, takie jak bezpieczniki szklane lub ceramiczne. Te bezpieczniki oferują doskonałą ochronę dla urządzeń o wysokim prądzie, jednak, jak większość środków ochronnych, mają pewne wady.

Bezpieczniki samoresetujące są tworzone przez ściśle związanie cząstek przewodzących w plastikowym wypełniaczu. Gdy bezpiecznik jest w normalnej temperaturze, istnieje duża ilość materiału przewodzącego, tworzącego ścieżkę dla prądu do przepływu przez urządzenie z umiarkowanym oporem. W miarę wzrostu prądu, bezpiecznik się nagrzewa, powodując rozszerzenie plastiku. W konsekwencji, to rozszerzenie zaczyna oddzielać cząstki przewodzące, co zwiększa opór, powodując, że bezpiecznik nagrzewa się jeszcze szybciej. Bezpiecznik osiąga punkt, w którym tylko mała ilość prądu jest w stanie utrzymać plastik na tyle gorącym, aby utrzymać stały stan niskiej przewodności.

Ten stały stan jest, moim zdaniem, największą wadą bezpiecznika. Najmniejszy prąd utrzymania w urządzeniu montowanym powierzchniowo, jaki udało mi się znaleźć na rynku, to 10 mA, co odpowiada prądowi zadziałania 21 mA w temperaturze pokojowej. Jest to dość wąski zakres, i urządzenie, które mogłoby go przekroczyć przy 21 mA, mogłoby kontynuować działanie w zdegradowanym stanie przy 10 mA, co może spowodować uszkodzenie. W bezpiecznikach PTC montowanych powierzchniowo, prąd utrzymania będący połową prądu zadziałania jest dość powszechny, więc musisz upewnić się, że jeśli Twoje urządzenie ma zostać uszkodzone przy prądzie zadziałania, nie zostanie również uszkodzone przy połowie tego prądu. Jeśli mogłoby zostać uszkodzone przy połowie prądu zadziałania, powinno mieć inną metodę samoczynnego wyłączenia po wykryciu tego stanu, aby zapobiec uszkodzeniu.

Bezpiecznik szklany/ceramiczny

Jeśli Twoje urządzenie jest zbudowane w taki sposób, że osiągnięcie progu prądu zdecydowanie oznacza, że coś poszło bardzo źle, bezpiecznik szklany lub ceramiczny może być dobrym rozwiązaniem. Bezpiecznik szybko działający może ulec awarii w ciągu milisekund po przekroczeniu nominalnego prądu, podczas gdy bezpiecznik wolno działający może pozwolić na tymczasowe przekroczenie limitu prądu o małą wartość, jeśli jest to potrzebne, na przykład dla prądu rozruchowego.

Bezwrotny bezpiecznik to dość ostateczne rozwiązanie, jednakże chroni on tylko przed prądem przekraczającym jego nominalną wartość. Zaledwie tydzień temu widziałem płytę obwodu zasilacza laboratoryjnego od bardzo renomowanej marki, która miała nienaruszony bezpiecznik, a mimo to płyta była mocno przypalona w kilku miejscach. Jeden tranzystor MOSFET na płycie uległ awarii, z jakiegoś powodu, i ta awaria spowodowała zbyt duże obciążenie na pozostałych tranzystorach MOSFET w mostku H, które wydaje się, że uległy awarii w szybkiej, ognistej kolejności. Jednakże bezpiecznik urządzenia nic nie zrobił, ponieważ każdy indywidualny tranzystor MOSFET ulegał awarii przy mniejszym obciążeniu niż było to nominalne dla bezpiecznika.

Jeśli planujesz użyć bezpiecznika, możesz kupić bezpieczniki montowane powierzchniowo, które nie są przystosowane do obsługi przez użytkownika, lub możesz kupić uchwyty na łatwo dostępne bezpieczniki, które mogą być obsługiwane przez użytkownika. Zazwyczaj wolę, aby bezpieczniki nie były przystosowane do obsługi przez użytkownika, ponieważ zmusza to klienta do zwrotu płyty do Ciebie, co pozwala zbadać, dlaczego bezpiecznik się przepalił. Pozwala to ustalić, czy obecny stan, który spowodował przepalenie bezpiecznika, był spowodowany przez zdegradowany komponent, czy wręcz przeciwnie, pobór prądu spowodował degradację komponentu. Po prostu wymiana bezpiecznika i ponowne włączenie urządzenia może skutkować natychmiastowym przepaleniem się bezpiecznika, lub co gorsza, zdegradowany komponent może ulec awarii poniżej progu bezpiecznika i spowodować znacznie poważniejsze uszkodzenia urządzenia. Niektórzy ludzie nie lubią bezpieczników, które muszą być serwisowane przez dostawcę, ale mogą one zapobiec konieczności wymiany płyty obwodu wartej setki dolarów, jeśli są w stanie zbadać przyczynę awarii bezpiecznika.

Rozładowanie Elektrostatyczne (ESD)

Jeśli mieszkasz w regionie świata o niskiej wysokości i wysokiej wilgotności, to ESD może nie być czynnikiem, który łatwo wpisuje się w Twój proces projektowy. Jeśli odwiedzisz miasto o wysokiej wysokości lub niskiej wilgotności, takie jak Denver czy Calgary, zaczniesz szokować wszystkich dookoła i wszystko wokół siebie błyskawicami z palców. To, że mieszkasz w przyjemnym środowisku, gdzie dziesiątki tysięcy woltów nie gromadzą się na Twojej skórze, aby rozładować się przy pierwszej możliwej okazji, nie oznacza, że Twój produkt nie trafi tam. Jeden nieumyślny dotyk użytkownika, który chodził po dywanie lub zdejmował kurtkę, która dała mu duży ładunek statyczny, i Twoje urządzenie może zostać zniszczone lub poważnie uszkodzone.

Zapewnienie doskonałej ochrony przed ESD to dość obszerny temat, więc ten artykuł tylko szybko omówi opcje, kolejny artykuł omawiający ochronę przed ESD wnikliwie zostanie opublikowany wkrótce.

Dioda TVS

Jedną z najtańszych, najbardziej niezawodnych metod ochrony przed ESD dla wejść jest dioda TVS. Dioda TVS zapewnia również doskonałą ochronę przed nieoczekiwanymi napięciami przepięciowymi.

W większości urządzeń, które projektuję, dodaję diodę TVS do każdego wejścia, które użytkownik może dotknąć lub zbliżyć się do dotknięcia palcem. Rozładowanie 22kV powinno być w stanie przeskoczyć około 20mm szczelinę, więc samo posiadanie pinów na złączu nie gwarantuje ochrony przed ESD. Dioda TVS jest tania, kompaktowa i łatwa do dodania do projektu, więc jest bardzo mało powodów, by jej nie używać. Dostępnych jest wiele urządzeń, które nie zakłócają komunikacji wysokiej częstotliwości, takiej jak USB 3.0, co pozwala na ich użycie we wszystkich połączeniach.

Chociaż wspomniałem, że dioda TVS może nie przetrwać bardzo dużego wyładowania elektrostatycznego, posiadanie taniej diody na każdej linii pozwoli przetrwać większość wyładowań bez dużych wydatków na rurę gazową. Słyszałem, jak niektórzy inżynierowie mówią, że nie powinno się marnować pieniędzy na ochronę ESD, ponieważ może to nie chronić obwodu przed wszystkimi zdarzeniami, jednak fakt, że chroni przynajmniej przed 95% z nich, jest dla mnie wystarczający.

Gas Discharge Tube Arresters

Rury gazowe nie są szczególnie odpowiednie do bezpośredniej ochrony wejścia mikrokontrolera wystawionego na połączenie, ale są wyjątkowo dobre w ochronie wejść sieci AC lub sprzętu telekomunikacyjnego przed ESD, a nawet piorunami. Jeśli potrzebujesz szybko przesunąć ogromną ilość energii do ziemi, rura gazowa jest właśnie tym, czego szukasz.

Rury gazowe działają poprzez jonizację gazu między wejściem a ziemią. Gdy osiągnięty zostanie ten próg, zjonizowany gaz jest w stanie przewodzić znacznie więcej prądu niż urządzenie krzemowe tej samej wielkości.

Jak powiedziałem, nie są one szczególnie przydatne do ochrony twojego mikrokontrolera - zapasy rur gazowych według napięcia przeskoku iskry jasno pokazują dlaczego. Około 20% ma napięcie przeskoku iskry poniżej 100V, 20% między 150V a 250V, 20% między 250V a 350V, kolejne 20% jest między 350V a 1000V, a reszta powyżej 1000V. Daje to dobry pomysł na zastosowanie - są powszechnie używane z urządzeniami 110V, urządzeniami 240/250V, urządzeniami 380/400V i innymi urządzeniami, z tylko kilkoma opcjami dostępnymi dla urządzeń poniżej 90V. To sprawia, że twoje wejście mikrokontrolera 3,3v prawdopodobnie zostanie spalone przez napięcie i prąd, jeśli rura gazowa musi zatrzymać nadchodzącą energię.

Jeśli masz urządzenie telekomunikacyjne lub urządzenie podłączone do zasilania AC, które powinno być w stanie obsłużyć zdarzenie ESD od instalatora lub oświetlenia, GDT może wykonać pracę dla ciebie. Niskokosztowe rury gazowe mogą łatwo obsłużyć 5,000amp, a kompaktowe opcje oferujące do 25,000amp są dostępne.

Aby obsłużyć tak duży prąd, poważne przemyślenia muszą zostać poświęcone twojemu połączeniu z ziemią wokół rury gazowej, aby upewnić się, że nie chronisz płyty przez spopielenie ścieżki powrotu do ziemi.

Cechy PCB

Ochrona ESD dla biednych może być zbudowana bez żadnych zewnętrznych komponentów. Wysokie napięcie chce jak najszybciej i jak najefektywniej dostać się do ziemi i chętnie zjonizuje trochę powietrza, aby stworzyć przewodzącą ścieżkę do celu. Tworząc kilka trójkątów skierowanych na siebie na płycie obwodu, jeden od pinu złącza do ochrony, a drugi na płycie uziemienia, możesz stworzyć prostą iskiernik. Z odpowiednio dużą przerwą, przez którą zdarzenie ESD łatwo przeskoczy, ale normalna operacja urządzenia nie, możesz zapewnić pewną podstawową ochronę dla twojej płyty obwodu.

Pomimo łatwości użycia, niektórzy inżynierowie zastanawiają się, czy warto poświęcać czas na projektowanie iskierników, ponieważ mają one pewne wady. Podobnie jak w przypadku rurki gazowej, napięcie przeskoku iskrowego jest stosunkowo wysokie w porównaniu do napięcia poziomu logicznego. Oznacza to, że iskiernik prawdopodobnie nie ochroni wystarczająco wejścia lub wyjścia mikrokontrolera lub innego urządzenia na poziomie logicznym przed zdarzeniem ESD. Posiadanie przewodnika i ziemi wystawionej i umieszczonej blisko siebie może również pozwolić na zanieczyszczenie, które potencjalnie może przekroczyć przerwę i przewodzić prąd, co może zniekształcić sygnał lub pogorszyć funkcjonalność połączenia, jeśli nie uszkodzić czegoś bezpośrednio.

W zależności od Twojej aplikacji, wbudowanie iskiernika w twoje złącza może być rozsądnym rozwiązaniem, jednak w innych aplikacjach może to prowadzić do przedwczesnej awarii urządzenia.

Ochrona po produkcji

Nie cała ochrona, którą stosujesz do swoich płyt drukowanych, znajduje się tylko w obwodzie. Możesz również potrzebować zastosować substancję na płytę, aby zapewnić jej ochronę przed korozją i wilgocią lub poprawić ogólną ochronę elektryczną.

Pokrycie konforemne

Pokrycie konforemne jest wspaniałe dla płyt drukowanych, które będą wystawione na wiele wyzwań środowiskowych. Płyty drukowane pokryte konforemnie będą odporne na wilgoć lub wodoodporne, a także odporne na kurz lub inne zanieczyszczenia, tworzące zwarcia na płycie, oraz również odporne na korozję spowodowaną przez atmosferę. Pokrycie konforemne może pomóc w obwodach wystawionych na umiarkowane wibracje, zapewniając dodatkową adhezję i stabilność montowanych na płycie części.

Pokrycie konforemne można nanosić na płytę za pomocą sprayu lub pędzla, w zależności od geometrii, którą musisz pokryć, zarówno pod względem powierzchni, jak i złożoności. Nie będziesz chciał dostać pokrycia konforemnego na złącza lub obszary, do których musisz przylutować przewody, ponieważ zapobiegnie to kontaktowi elektrycznemu. Dobra część producentów kontraktowych, którzy specjalizują się w płytach drukowanych dla trudnych środowisk lub wykonują dużo pracy zgodnie ze specyfikacją wojskową, będzie miała możliwość robotycznego nanoszenia pokrycia konforemnego na twoją płytę drukowaną. Jeśli pracujesz z niskimi wolumenami, stosunkowo szybko można je zastosować ręcznie.

Zalewanie

Jeśli pokrycie konforemne brzmiało dobrze, pokochasz pomysł zalewania twoich elektronik. Zalewanie zwykle odnosi się do wypełnienia obudowy twojej płyty drukowanej nieprzewodzącą żywicą, taką jak silikon lub epoksyd, która całkowicie izoluje twoją płytę drukowaną od ingerencji z zewnątrz i znacznie zwiększa zdolność urządzenia do wytrzymywania wstrząsów i wibracji. Jeśli pracujesz z wysokimi napięciami, zastąpienie powietrza substancją znacznie mniej przewodzącą może pozwolić ci na zmniejszenie odstępów między komponentami, a także na zmniejszenie ryzyka awarii, gdy powietrze zostaje zjonizowane przez twoje wysokie napięcie. Elektronika zalewana jest zwykle nieprzepuszczalna dla środowiska, w którym się znajduje, z żywicą działającą jako bariera przed kurzem, wilgocią i czynnikami korozyjnymi.

Najprawdopodobniej rozważysz zalewanie swoich elektronik, jeśli masz wymóg:

• Projektu odpornego na eksplozje (tj. brak szans, że twoje urządzenie wywoła eksplozję w lotnym środowisku.)
• Bardzo wysokiego napięcia.
• Radzenia sobie z dużymi wibracjami lub wstrząsami.
• Ekstremalnych warunków środowiskowych (np. korozja, wilgoć, ciśnienie, próżnia)

Jeśli zabezpieczysz swoje urządzenie żywicą, taką jak epoksyd, która jest praktycznie niemożliwa do usunięcia z każdego komponentu, nie będziesz musiał martwić się o to, że ktoś dokona inżynierii wstecznej twojego produktu, ponieważ dostęp do płyty i komponentów prawdopodobnie okaże się niepraktyczny.

Jedną z wad jest to, że dostęp do płyty i komponentów jest również praktycznie niemożliwy dla ciebie. Oznacza to, że płyta nie może być naprawiona ani zdiagnozowana po jej zabezpieczeniu, więc jeśli płyta ulegnie awarii po otrzymaniu jej przez użytkownika, jedyną opcją będzie całkowita wymiana.

Drugą wadą jest słaba przewodność cieplna. Dostępne są żywice przewodzące ciepło, które mogą oferować lepsze rozpraszanie ciepła, jednak mogą być one dość drogie. Całkowite otoczenie płyty obwodu substancją, która nie przewodzi ani ciepła, ani powietrza, spowoduje, że urządzenia wymagające odprowadzenia znacznych ilości ciepła ulegną awarii z powodu przegrzania, jednocześnie utrudniając stosowanie radiatorów.

Chociaż omówiliśmy metody ochrony obwodów istotne dla większości osób, projektowanie PCB jest zintegrowane z wieloma różnymi branżami. Niektóre zastosowania mogą wymagać bardziej drastycznych metod ochrony, podczas gdy inne mogą obejść się z bardzo małą ochroną. Dajcie nam znać, co myślicie w sekcji komentarzy poniżej.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.