Protetores contra Surtos Internos Versus Externos: Qual é o Melhor para a Proteção Total da PCB

Quando olhamos para medidas de proteção contra surtos de energia e transientes, os diodos TVS recebem a maior parte da atenção. Não há nada de errado com os diodos TVS, pois são um componente excelente, de baixo custo e que ocupa pouco espaço, para proteger equipamentos contra surtos e eventos de ESD. No entanto, esses diodos não são a única opção para lidar com surtos de energia. Em vez disso, existem componentes que podem ser usados tanto na PCB quanto fora dela como parte de uma estratégia abrangente para resistir a surtos de energia e transientes.

Que Tipo de Proteção Contra Surtos é Necessária?

A proteção contra surtos é necessária quando há perigo de um surto de energia ocorrer na entrada de energia principal que chega a um dispositivo. Existem requisitos nas regulamentações EMC e padrões da indústria sobre produtos específicos, que então exigem a colocação de componentes e circuitos de proteção contra surtos. O nível de proteção contra surtos depende do nível de surto de energia esperado e da corrente de entrada que seria experimentada durante o evento. Se o design for baseado em um padrão específico, o valor mínimo delineado no padrão deve guiar o design e pode ditar a seleção de componentes.

A proteção contra surtos pode também ser encontrada internamente na PCB como um conjunto de componentes, ou externamente à placa como um módulo pré-embalado. Este último é mais comum para dispositivos que se conectam diretamente à rede elétrica (sem uma fonte de alimentação intermediária) em tensões muito altas. Esses componentes tendem a ser simplesmente grandes demais para caber em uma PCB. Componentes a bordo também devem ser usados em locais específicos, mesmo que um componente externo seja necessário para o funcionamento do sistema. Juntos, eles permitem que um sistema suporte eventos transitórios com diferentes magnitudes que podem estar associados a fortes surtos de energia.

Proteção Contra Surtos Interna (A Bordo)

Resistor Limitador de Corrente de Inrush - Surtos de energia, e ligar a energia da rede AC em geral, podem permitir correntes de inrush que podem danificar dispositivos durante a fase inicial de ligação. Correntes de inrush podem ser reduzidas e amortecidas com um resistor fixo. Para dimensionar um resistor limitador de corrente, use a corrente máxima que você pode esperar no inrush e a tensão de entrada de pico para calcular a classificação de potência do resistor. A resistência é então calculada usando esses valores na lei de Ohm. Isso permitirá que o limitador de inrush defina a corrente para o nível necessário sem queimar durante a fase de inrush.

Varistor - Varistores são resistores controlados por tensão não lineares. Em outras palavras, são componentes cuja resistência DC é uma função da tensão de entrada que eles experimentam. Esses componentes operam de maneira semelhante aos diodos, pois inicialmente têm alta resistência, mas acima de algum limiar de tensão de trabalho, sua resistência pode diminuir. Isso permite que eles reduzam a magnitude de um evento de sobretensão, amortecendo o pico de surto de energia em sua borda ascendente. Esses componentes são construídos com materiais semicondutores populares, ou podem ser varistores de óxido metálico (MOVs).

Tubo de Descarga de Gás - Esses componentes são colocados nos entradas de energia. Eles podem fornecer proteção contra tensões transientes muito altas quando colocados a montante de diodos TVS bidirecionais/unidirecionais nos pinos dos componentes. Nessa configuração, um tubo de descarga de gás irá direcionar os transientes de tensão mais altos e surtos de energia, enquanto a parte mais lenta/de menor tensão de um transiente será tratada com os diodos TVS. Tubos de descarga de gás menores são os componentes típicos usados em protetores contra surtos para tiras de energia AC e fontes de alimentação.

Termistores NTC - Um termistor com coeficiente de temperatura negativo (NTC) pode ser usado como um sensor ou como um protetor contra surtos. O componente experimenta uma redução na resistência à medida que sua temperatura aumenta. Isso significa que, à medida que um surto de energia ocorre e o inrush de corrente começa, alguma energia é inicialmente dissipada no termistor e convertida em calor. A resistência do termistor então diminui e permite que o restante da energia passe para outro componente de proteção contra surtos, tipicamente diodos TVS. Estes às vezes são usados em série com um tubo de descarga de gás.

Diodo TVS - Por último, mas não menos importante, incluí diodos TVS. Estes são as principais fontes de proteção contra surtos de energia tanto em barramentos de baixa tensão quanto em linhas de dados. Em barramentos de baixa tensão, como a linha de +5 V vinda de um conector USB, pequenos diodos TVS podem ser selecionados para fornecer uma proteção muito precisa contra sobretensões que podem lidar com surtos fortes e transientes rápidos. Para aprender mais sobre o uso de diodos TVS, leia este artigo.

Disjuntor Montado em PCB - Finalmente, existem disjuntores miniatura que podem ser montados em PCBs, tipicamente como componentes through-hole. Esses disjuntores podem ter classificações de corrente altas (dezenas de Ampères); eles tendem a ter um perfil alto e devem ser montados na borda para acesso ao interruptor do disjuntor. Esses dispositivos funcionam da mesma maneira que seus equivalentes montados em invólucros/armários.

Proteção Externa Contra Surtos

Dispositivos externos que podem ser usados para proteção contra surtos incluem módulos que realizam as funções acima, bem como disjuntores. Esses componentes podem ser montados em invólucros, ou em racks ou armários, simplesmente porque são grandes demais para serem montados diretamente em uma PCB. Esses componentes podem então se conectar a terminais de parafuso grandes na PCB através de fiação de baixa bitola, dependendo das correntes envolvidas. Esses componentes serão tipicamente usados com tensões de linha AC e/ou altas tensões DC, como o supressor de surtos Allen-Bradley mostrado abaixo.

Vale a Pena Pagar Mais Por um Supressor de Surtos Externo?

A resposta para esta pergunta depende de onde um dispositivo está sendo implantado. Esses dispositivos de proteção provavelmente serão usados em sistemas maiores, como os encontrados em ambientes industriais, marítimos (grandes embarcações) e até em aeronaves. Para as implantações e sistemas mais conservadores, que devem ter a maior disponibilidade possível e resistir a surtos muito altos, os dispositivos de proteção externos valem o custo extra do componente.

Mesmo que você use um dispositivo de proteção contra surtos externo, componentes embarcados também devem ser incluídos. Os custos totais envolvidos na instalação desses componentes em um design são mínimos, mesmo se todas as precauções acima forem tomadas. Todos esses componentes juntos protegem contra uma gama de falhas, surtos e transientes em todo o sistema, não apenas um surto de energia na conexão principal ou na entrada de alimentação.

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