Внутренние и внешние устройства защиты от перенапряжений: что лучше для полной защиты печатных плат

Когда мы рассматриваем меры защиты от перенапряжений и импульсных помех, наибольшее внимание уделяется диодам TVS. Нет ничего плохого в диодах TVS, поскольку они являются отличным компонентом с низкой стоимостью и малыми размерами для защиты оборудования от перенапряжений и событий электростатического разряда (ESD). Однако эти диоды не являются единственным вариантом для борьбы с перенапряжениями. Вместо этого существуют компоненты, которые могут использоваться как на печатной плате, так и вне её в рамках комплексной стратегии защиты от перенапряжений и импульсных помех.

Какой тип защиты от перенапряжений необходим?

Защита от перенапряжений необходима, когда существует опасность возникновения перенапряжения на основном входе питания устройства. Существуют требования в нормах ЭМС и отраслевых стандартах к определенным продуктам, которые затем требуют установки компонентов и схем защиты от перенапряжений. Уровень защиты от перенапряжений зависит от ожидаемого уровня перенапряжения и величины входного тока, который может возникнуть во время события. Если проектирование ведется в соответствии с конкретным стандартом, минимальное значение, указанное в стандарте, должно направлять проектирование и может диктовать выбор компонентов.

Защита от перенапряжений может быть реализована как внутри печатной платы в виде набора компонентов, так и снаружи платы в виде предварительно упакованного модуля. Последний вариант более распространен для устройств, которые подключаются напрямую к сети (без промежуточного источника питания) на очень высоких напряжениях. Такие компоненты обычно слишком велики, чтобы поместиться на печатной плате. Компоненты на плате также должны использоваться в целевых местах, даже если для функционирования системы требуется внешний компонент. Вместе они позволяют системе выдерживать переходные процессы различной мощности, которые могут сопровождаться сильными скачками напряжения.

Внутренняя (на плате) защита от перенапряжений

Ограничительный резистор пускового тока - Скачки напряжения и включение питания от сети переменного тока в целом могут вызвать пусковые токи, которые могут повредить устройства во время начальной фазы включения. Пусковые токи можно уменьшить и сгладить с помощью фиксированного резистора. Для выбора резистора, ограничивающего ток, используйте максимальный ток, который вы можете ожидать при пуске, и пиковое входное напряжение для расчета мощности резистора. Сопротивление затем рассчитывается с использованием этих значений по закону Ома. Это позволит ограничителю пускового тока установить ток на необходимом уровне, не перегорая во время фазы пуска.

Варистор - Варисторы - это нелинейные резисторы, управляемые напряжением. Другими словами, это компоненты, сопротивление постоянному току которых зависит от входного напряжения, которое они испытывают. Эти компоненты работают в некотором роде как диоды, поскольку изначально имеют высокое сопротивление, но выше некоторого порога рабочего напряжения их сопротивление может уменьшаться. Это позволяет им снижать величину события перенапряжения, гася переходный процесс всплеска мощности на его нарастающем фронте. Эти компоненты изготавливаются на основе популярных полупроводниковых материалов или могут быть металлооксидными варисторами (MOV).

Газоразрядная трубка - Эти компоненты устанавливаются на входах питания. Они могут обеспечить очень высокую защиту от переходных напряжений, если установлены впереди бидирекциональных/унидирекциональных диодов TVS на выводах компонентов. В этой конфигурации газоразрядная трубка будет направлена на более высокие переходные напряжения и всплески мощности, в то время как более медленная/низковольтная часть переходного процесса будет обрабатываться с помощью диодов TVS. Маленькие газоразрядные трубки являются типичными компонентами, используемыми в защитных устройствах для сетевых фильтров и блоков питания переменного тока.

Термисторы NTC - Термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) может быть использован в качестве датчика или в качестве защиты от перенапряжений. Сопротивление компонента снижается по мере увеличения его температуры. Это означает, что когда происходит скачок напряжения и начинается всплеск тока, часть энергии первоначально рассеивается на термисторе и преобразуется в тепло. Затем сопротивление термистора уменьшается, и оставшаяся энергия проходит далее к другому компоненту защиты от перенапряжений, обычно к диодам TVS. Иногда их используют последовательно с газоразрядной трубкой.

Диод TVS - Наконец, я включил диоды TVS. Это основные элементы для защиты от скачков напряжения как на низковольтных шинах, так и на линиях передачи данных. На низковольтных шинах, таких как линия +5 В, поступающая от USB-разъема, можно выбрать маленькие диоды TVS для обеспечения очень точной защиты от перенапряжения, которая может справиться с сильными скачками и быстрыми переходными процессами. Чтобы узнать больше об использовании диодов TVS, прочитайте эту статью.

Монтажный на печатную плату автоматический выключатель - Наконец, существуют миниатюрные автоматические выключатели, которые могут монтироваться на печатные платы, обычно как компоненты сквозного монтажа. Эти выключатели могут иметь высокие токовые характеристики (десятки ампер); они обычно имеют высокий профиль и должны монтироваться на краю для доступа к переключателю выключателя. Эти устройства работают так же, как их аналоги, монтируемые в корпуса или шкафы.

Внешняя защита от перенапряжений

Внешние устройства, которые могут использоваться для защиты от перенапряжений, включают модули, выполняющие вышеупомянутые функции, а также автоматические выключатели. Эти компоненты могут монтироваться в корпусе или в стойке, или шкафу, просто потому, что они слишком велики для монтажа непосредственно на печатную плату. Эти компоненты затем могут подключаться к крупным винтовым клеммам на печатной плате через провода малого сечения, в зависимости от задействованных токов. Эти компоненты обычно используются с переменными напряжениями сети и/или высокими постоянными напряжениями, как, например, показанный ниже разрядник Allen-Bradley.

Стоит ли платить больше за внешний разрядник?

Ответ на этот вопрос зависит от того, где будет использоваться устройство. Такие арестеры, скорее всего, будут применяться в крупных системах, как, например, в промышленных объектах, на крупных судах и даже на самолетах. Для наиболее консервативных развертываний и систем, которые должны обеспечивать максимально возможное время безотказной работы и выдерживать очень высокие перенапряжения, внешние арестеры оправдывают дополнительные затраты на компоненты.

Даже если вы используете внешний арестер перенапряжений, на борту должны быть установлены и другие компоненты. Общие затраты на внедрение этих компонентов в дизайн минимальны, даже если принять все вышеупомянутые меры предосторожности. Все эти компоненты вместе защищают от различных неисправностей, перенапряжений и переходных процессов в системе, а не только от скачков напряжения в сети или на входе питания.

Когда вы будете готовы создать свои схемы защиты от перенапряжений и спецификацию материалов (BOM) для вашей системы, убедитесь, что вы используете полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer^®. Altium Designer - это ведущая в отрасли платформа CAD, которая предоставляет инструменты для проектирования схем, моделирования и поиска компонентов внутри приложения. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упростит сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.