Zoptymalizowane zabezpieczenia magistral dużej mocy wymagające mniej lutowania

W celu zapewnienia ochrony zasilania w systemach prowadzi się rozbudowane badania, aby ustalić potencjalne zagrożenia dla komponentów w obwodach. W przypadku ochronników zasilania (PTVS) lub urządzeń ograniczających napięcie, diody są charakteryzowane przez czas trwania napięcia udarowego i wytrzymywanego prądu maksymalnego z niezależnych źródeł energii. Obniżenie amplitudy napięcia w czasie przewodzenia prądu ma krytyczne znaczenie do końca trwania udaru.

Ochrona przed nadmiernymi napięciami, które mogą być skutkiem stanów nieustalonych w liniach elektroenergetycznych, łuków elektrycznych w silnikach, uderzeń pioruna oraz wyładowań elektrostatycznych, eliminuje potrzebę napraw i wymiany uszkodzonych kluczowych komponentów.

Jako globalny lider w dziedzinie ochrony obwodów, firma Bourns oferuje szeroką gamę komponentów chroniących przed nadmiernymi napięciami i nadmiernymi prądami, włączając w to zabezpieczenia o niskiej pojemności.

Zawsze na straży, zawsze chroniąc kluczowe komponenty

Prawidłowego działania komponentów chroniących zasilanie zwykle nie zauważamy, aż do momentu, gdy awaria udowodni potrzebę ich istnienia. Zabezpieczenie musi być jednak odpowiednie, w przeciwnym razie system nadal będzie narażony na ewentualne poważne uszkodzenia. Może to być kosztowne w przypadku wystąpienia przestojów lub potrzeby wezwania serwisu.

Urządzenia telekomunikacyjne, które wykorzystują systemy zasilania prądem zmiennym i stałym, zawsze wymagają ochrony przed takimi zdarzeniami, jak bezpośrednie uderzenia pioruna lub udary w liniach elektroenergetycznych.

Ochronniki zasilania (PTVS) firmy Bourns w obudowach DFN oferują wiele cech, które zapewniają skuteczne i optymalne zabezpieczenie różnorodnych poziomów sygnałów i obwodów zasilania.

Urządzenia PTVS2-058C-H są diodami ogólnego przeznaczenia z serii PTVS zgodnymi z dyrektywą ROHS3 (ilustracja 1). Wytrzymałość udarowa 2kA, 8/20µs pozwala uzyskać powtarzalne napięcie zaporowe od 22 do 86 V i dwukierunkowy ochronnik TVS. Zabezpieczenia magistrali prądu stałego dużej mocy, a także odporność na uderzenia piorunów oraz udary indukcyjne i stany nieustalone do wartości znamionowych sprawiają, że urządzenia PTVS2-058C-H należą do najlepszych diod TVS.

Ilustracja 1: Diody PTVS2-058C-H z serii PTVS oferują znakomite parametry działania w całym zakresie temperatur. (Źródło ilustracji: Bourns)

Co znaczą konkretne terminy?

Zgłębiając temat diod TVS zauważamy występowanie specyficznej terminologii. Poznanie podstaw znacznie ułatwia znalezienie właściwych komponentów zabezpieczających:

• Prąd szczytowy impulsu (IPP): maksymalny prąd udaru, jaki dioda może obsłużyć bez uszkodzenia.
• Napięcie progowe (VC): maksymalne napięcie na chronionym obwodzie dla danego prądu IPP.
• Powtarzalne napięcie zaporowe (VWM): normalna wartość progowa napięcia roboczego, znana również jako maksymalne szczytowe napięcie robocze. Napięcie przyłożone do diody jest mniejsze od wartości progowej, ze względu na ochronę obwodu zapewnianą przez wysokoimpedancyjną diodę TVS.
• Napięcie przebicia (VBR): wartość progowa, przy której dioda zaczyna przewodzić określony prąd. Nie powinno ono przekraczać wartości maksymalnej dla chronionego układu scalonego.

Wymagane jest wiele poziomów ochrony

Do rozwiązywania problemów z ewentualnymi usterkami zawsze można podchodzić na różne sposoby.

Zwykle obwody wymagają wielu rodzajów i poziomów zabezpieczeń. Oprócz tego, w przypadku obwodów wymagających dwóch i więcej poziomów ochrony przed stanami nieustalonymi napięcia wejściowego, koordynacja możliwości komponentów zapewnia wyższy poziom obrony, oferując uzyskanie optymalnego działania komponentów.

Diody PTVS, jako komponenty ograniczające, zapobiegają przekroczeniu przez napięcie ustalonych poziomów, tłumiąc rozruchowe oraz indukcyjne napięcia stanów nieustalonych dzięki funkcji progowej, która jest zwalniana po ustąpieniu stanu nadnapięciowego. Progowy ochronnik TVS ma postać krzemowego złącza bipolarnego. Jest on podobny do diody Zenera, jednak jest w stanie przetrwać napięcie przebicia w stanie zaporowym, rozpraszając względnie krótkie stany przejściowe.

Progowe ochronniki TVS różnią się od komponentów typu crowbar, które utrzymują napięcie na niskim poziomie do momentu, gdy udar przeminie.

Urządzenia ograniczające mogą być konstruowane nie tylko z użyciem krzemu, ale również warystorów metalowo-tlenkowych (MOV), czyli dwukierunkowych urządzeń półprzewodnikowych tłumiących stany nieustalone napięcia. Napięcie na urządzeniu zwykle spada wraz ze wzrostem przepływającego przezeń prądu. W porównaniu z diodą PTVS warystor metalowo-tlenkowy (MOV) powoduje obniżenie napięcia, które pozostaje na stałym poziome wraz ze wzrostem prądu po początkowym, krótkotrwałym szczycie. Ponadto diody PTVS mają znacznie niższe napięcie progowe w porównaniu z warystorem metalowo-tlenkowym (MOV) dla tego samego prądu udarowego.

Diody ESD9B5.0ST5G do montażu powierzchniowego (ilustracja 2) należą do serii ESD9B, zaprojektowanej do ochrony wrażliwych komponentów przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), charakteryzującej się niskim upływem, krótkim czasem odpowiedzi oraz znakomitymi parametrami progowymi. Dzięki niewielkim rozmiarom są one odpowiednie do telefonów komórkowych, odtwarzaczy MP3 i niezliczonych zastosowań przenośnych, gdzie miejsce na płytce jest na wagę złota.

Ilustracja 2: dzięki małym rozmiarom korpusu 1,0mm x 0,60mm i niewielkiej wysokości 0,4mm, urządzenia ESD9B5.0ST5G firmy onsemi idealnie sprawdzają się we współczesnych zminiaturyzowanych rozwiązaniach. (Źródło ilustracji: Bourns)

Jak dobrać właściwą diodę

Większość dostawców diod PTVS podaje ogólne wytyczne doboru w arkuszach danych. Podczas dobierania diod, na pierwszy plan zwykle wysuwają się cechy obwodu, który wymaga ochrony elektrycznej oraz normy dotyczące prób obwodów. Najczęściej przywoływana jest norma IEC 61000-4-5.

Podczas doboru diod PTVS, należy rozważyć diody o napięciach zaporowych przewyższających oczekiwane napięcia robocze w danym zastosowaniu. Należy znaleźć bezwzględne maksymalne napięcie znamionowe dla wszystkich urządzeń na chronionej linii i dobrać diodę, której maksymalne napięcie progowe jest niższe od tej wartości.

Diody o zbyt niskich parametrach znamionowych oraz diody niezaprojektowane do danego prądu maksymalnego najprawdopodobniej ulegną awarii w przypadku udaru, powodując zniszczenie obwodu. „Spodziewaj się najgorszego” to powiedzenie, o którym warto w tym kontekście pamiętać, gdyż sprawdzenie, czy określony prąd szczytowy impulsu (IPP) bezpiecznie przewyższa spodziewany prąd szczytowy w każdej sytuacji, pozwala w dużej mierze uniknąć potencjalnych awarii i uszkodzeń cennych obwodów.

Diody PTVS i ochrona portów

Diody PTVS sprawdzają się również idealnie w ochronie portów zasilania, zarówno na wyjściach zasilaczy, jak i na wejściach zasilania, zwłaszcza gdy są one od siebie bardzo oddalone.

W przypadku narażenia na stany udarowe w zdalnych lokalizacjach zasilanych przewodami zastosowaniach zasilania przez Ethernet (PoE), urządzeniach zasilających (PSE) oraz technologiach Power Delivery (PD), zachodzi potrzeba ochrony portów ze złączami RJ-45. Aby to zapewnić, dostępne są urządzenia zabezpieczające w telekomunikacji i PoE na maksymalne napięcia 60V, a także zabezpieczenia przeciwprzepięciowe 48V w zastosowaniach małokomórkowych 5G.

Firma Bourns dostarcza urządzenia w obudowach DFN do montażu powierzchniowego, przeznaczone właśnie do takich zastosowań. Są to na przykład diody 1kA typu PTVS1-026C-H oraz 2kA typu PTVS2-026C-H, skutecznie działające w sterowaniu przemysłowym i systemach telemetrycznych 24V.

Podsumowanie

Stany nieustalone w liniach elektroenergetycznych, łuki elektryczne w silnikach, wyładowania elektrostatyczne oraz uderzenia pioruna stanowią realne zagrożenia, które mogą uszkadzać ważne obwody elektryczne. Wykorzystanie odpowiednich warstw zabezpieczeń za pomocą diod chroniących przed udarami, na przykład oferowanych przez firmę Bourns Ins., jest niezbędne aby uniknąć kosztownych napraw i wymiany, nie wspominając o przestojach w produkcji i usługach.

Firma Bourns zdobyła reputację jako globalny lider w dziedzinie ochrony obwodów i oferuje szeroką gamę komponentów chroniących przed nadmiernymi napięciami i nadmiernymi prądami, a także zabezpieczenia o niskiej pojemności.

Źródło: Zoptymalizowane zabezpieczenia magistral dużej mocy wymagające mniej lutowania

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.