Diseño de circuitos de protección eficaces: componentes clave y topologías para ingenieros

Usted se enfrenta a muchos peligros eléctricos en los sistemas electrónicos actuales. Algunos peligros comunes son:

• Eventos de sobrecorriente como sobrecargas y cortocircuitos. Estos pueden dañar sus dispositivos.

• Pistas de sobretensión de rayos o sobretensiones de conmutación. Estos pueden dañar la electrónica sensible.

• Fallas de tierra y fallas de arco. Estos pueden causar incendios o riesgos de choque.

La protección de circuitos ayuda a detener la falla del equipo, los riesgos de seguridad y el costoso tiempo de inactividad. Si elige el plan adecuado para cada peligro, hará que sus sistemas sean más seguros y confiables.

Puntos clave

• Elija las piezas de protección adecuadas como fusibles, polyfuse, TVSDiodos, Y MOVs para las necesidades de su circuito y donde se utilizará. Use buenas configuraciones de protección como limitación de corriente en serie, sujeción de voltaje de derivación y circuitos de palanca para detener demasiada corriente o voltaje. Coloque las piezas de protección cerca de las partes importantes y use una buena conexión a tierra y desacoplamiento para hacer que las cosas sean más seguras y funcionen mejor. Planifique su diseño observando los riesgos, eligiendo las piezas correctas y probando su circuito para asegurarse de que funcione bien. Verifique y cuide los dispositivos de protección como MOV y fusibles a menudo para mantener su sistema seguro y detener los problemas.

Componentes de la protección de circuito

Fusibles y Polyfuse

Fusibles y polyfuseSon herramientas comunes paraProtección del circuito. Ayudan a detener el daño de demasiada corriente.

• FusiblesMantenga su circuito seguro rompiendo el camino si la corriente es demasiado alta. En el interior, un alambre delgado se funde cuando hay demasiada corriente. Esto detiene la electricidad y mantiene sus dispositivos seguros. Puede encontrar fusibles en automóviles, computadoras, fuentes de alimentación y grandes líneas eléctricas.

• PolyfuseTambién se llaman fusibles reajustable. Ellos trabajan de una manera diferente. Cuando fluye demasiada corriente, su resistencia aumenta. Esto limita la corriente y protege su circuito. Cuando el dispositivo se enfría, el polyfuse restablece y funciona de nuevo. Los polifusos se usan donde cambiar un fusible es difícil, como en cargadores de teléfonos o equipos aeroespaciales.

Punta:Elige polifusibles si quieres que se reinicien por sí solos. Use fusibles regulares si desea acción rápida y fácil reemplazo.

Aquí hay una comparación rápida:

Debe elegir el tipo correcto en función de la rapidez con la que necesita protección, lo fácil que es reemplazar las piezas y el entorno.

Diodos TVS y ESD

Diodos TVS y diodos ESDProteger la electrónica de los picos de tensión. Cuando ocurre un alto voltaje repentino, un diodo TVS envía rápidamente la energía extra. Esto mantiene el voltaje seguro para sus piezas.

Los diodos TVS actúan muy rápido. Pueden manejar grandes oleadas de rayos, estática o conmutación. Los usa en computadoras, equipos de comunicación y electrónica al aire libre. Los diodos ESD funcionan de manera similar. Protegen contra los choques estáticos que pueden arruinar pequeños chips.

Nota:Siempre coloque los diodos TVS o ESD cerca de la parte que desea proteger. Esto da lo mejorProtección del circuito.

MOVs e inductores

MOVs yInductoresAyuda con sobretensiones y picos de tensión.

Los MOVs son resistencias especiales. Cuando el voltaje es normal, no hacen nada. Si el voltaje es demasiado alto, comienzan a conducir y tomar la energía extra. Esto mantiene su circuito a salvo de sobretensiones repentinas, como las de la conmutación o los rayos. MOVs se utilizan en fuentes de alimentación y controles de motor.

Los inductores almacenan energía en un campo magnético. Rarecen los cambios repentinos en la corriente. Si apaga una bobina rápidamente, puede hacer unPico de alto voltaje. Un MOV puede detener este pico, pero a veces un diodo es mejor para partes muy sensibles.

Advertencia: Los MOVs se debilita con el tiempo. Cada oleada los hace menos fuertes. Pueden fallar por cortocircuito, lo que puede causar un incendio, o por apertura, lo que deja su circuito desprotegido. Revise los MOV con frecuencia y reemplácelos si ve grietas o cambios de color.

Aquí hay algunos consejos para usar MOVs:

• Añadir un fusible térmicoPara detener el sobrecalentamiento.

• Mantenga los MOVs lejos del calor y el agua.

• Reemplace los MOVs después de muchas sobretensiones o si se ven dañados.

Dispositivos Crowbar

Dispositivos CrowbarDé la protección fuerte contra acontecimientos grandes de la sobretensión. Cuando el voltaje es demasiado alto, un dispositivo de palanca hace un camino corto. Esto reduce rápidamente el voltaje y mantiene su equipo seguro.

Usted utiliza circuitos de palanca en turbinas eólicas y sistemas de energía. Cuando ocurre una falla, la palanca actúa rápidamente para proteger la electrónica. Una vez que el peligro se ha ido, debe reiniciar el sistema para comenzar de nuevo.

Los dispositivos de palanca son simples y no son caros. Trabajan bien donde necesita protegerse contra fallas repentinas y grandes.

Protección ICs

Protección ICsPoner muchas características de protección en un pequeño chip. Puedes usarlos para ahorrar espacio y simplificar tu diseño. Algunos circuitos integrados protegen contra sobrecorriente, sobretensión e incluso problemas de temperatura.

Aquí hay algunas razones para usar ICs de protección:

• Hacen que su diseño sea más pequeño y más fácil de construir.

• Baja la posibilidad de cometer errores duranteAsamblea.

• Usan menos energía y pueden ser más confiables que usar muchas partes separadas.

Pero si un IC de protección falla, a menudo necesita cambiar todo el chip. También puede ser más difícil encontrar el problema exacto en comparación con el uso de piezas separadas. En los sistemas importantes, debe pensar en los beneficios del diseño fácil frente a los problemas de costo y reparación.

Punta:Utilice los ICs de la protección para los diseños pequeños, confiables. Use piezas separadas si desea una reparación fácil o desea evitar problemas de suministro.

Topologías de protección

Cuando haces un plan paraProtección del circuito, Debe elegir la configuración correcta. Cada configuración ayuda con diferentes problemas eléctricos. Aquí están algunos de los más importantes.

Limitación de corriente en serie

Las configuraciones de limitación de corriente en serie mantienen su circuito seguro controlando la corriente. Pon una parte limitante en línea con tu carga. Esta parte actúa cuando la corriente es demasiado alta.

Aquí hay una tabla que muestra configuraciones de limitación de corriente de series comunes y cómo funcionan:

Usted utiliza estas configuraciones en fuentes de alimentación y cargadores de baterías.Cada manera tiene puntos buenos y malos:

1. Más partes significan un mayor costo y más cosas para construir.

2. El circuito puede calentarse, por lo que debe manejar bien el calor.

3. El límite actual puede cambiar si hace calor o frío.

4. El voltaje de su carga podría caer al limitar.

5. Foldback puede no funcionar bien con cosas como motores o lámparas.

Punta:Siempre verifique cuánta potencia pueden manejar sus partes limitadoras. Si se olvida del calor, su protección podría no funcionar.

Algunos nuevos diseños utilizanFuentes actuales inteligentes y programas especiales. Estos ayudan a que el circuito reaccione más rápido y con mayor precisión, especialmente en usos de conducción a través de fallas de CC.

Sujeción de tensión de derivación

La sujeción de voltaje de derivación mantiene su circuito a salvo de picos de voltaje. Conecta una pieza de sujeción entre la línea eléctrica y tierra. Cuando el voltaje es normal, la parte no hace nada. Cuando el voltaje sube, la parte se enciende y envía energía extra a tierra.

Aquí hay una tabla que muestra las piezas de sujeción comunes y qué tan rápido reaccionan:

Los diodos TVS actúan más rápido. Los MOVs y los diodos Zener también son rápidos. Los tubos de descarga de gas son más lentos pero pueden manejar sobretensiones más grandes. Usted elige la parte correcta en función de lo rápido y fuerte que necesita la protección.

Cuando trabajas conCircuitos digitales rápidosRecuerda estos tips:

• Usar shuntResistenciasCon baja resistencia para detener la pérdida de voltaje.

• Escoja piezas con baja inductancia para señales rápidas.

• Asegúrese de que la potencia nominal se ajuste a sus necesidades.

• Coloque la parte de sujeción cerca de lo que desea proteger.

Nota:Buena colocación y piezas de baja inductancia ayudan a suProtección del circuitoTrabaja mejor en circuitos rápidos.

Circuitos de Crowbar

Circuitos CrowbarDé la protección fuerte de la sobretensión. Cuando el voltaje es demasiado alto, la parte de la palanca corta la salida a tierra. Esto sopla un fusible o dispara un interruptor, cortando la energía para mantener su equipo seguro.

Los circuitos de palanca utilizan tiristores o SCR. Trabajan bien en grandes sistemas de energía como fuentes de alimentación y turbinas eólicas. Pero son más lentos que el nuevo comparador más los circuitos MOSFET. Las palancas pueden estresar su fuente de alimentación antes de que se queme el fusible. No se reinician por sí mismos, por lo que debe solucionar el problema y cambiar el fusible antes de comenzar de nuevo.

Alerta:Los circuitos de palanca son simples y buenos para fallas grandes, pero son más lentos y no tan flexibles como las formas más nuevas.

Protección del interruptor

La protección del interruptor mantiene suTransistoresY los interruptores a salvo de cortocircuitos y sobrecargas. Puedes usar unFusible para la protección simpleComo en los paquetes de baterías y circuitos de bajo voltaje. Los fusibles son fáciles de usar y funcionan bien.

Para una mejor protección, puede usar un transistor y una resistencia de detección. Cuando la corriente es demasiado alta, el transistor apaga el interruptor. Por ejemplo, si quieresCorte en 2A, Use una resistencia que caiga 0,6 V a esa corriente (R = 0.3Ω). Manejar el calor mediante el uso de grandes áreas de PCB y buena soldadura.

En los circuitos grandes o sensibles, puede utilizar trucos especiales comoAbrazaderas de Miller y detección de la desaturación. Estos ayudan a proteger los nuevos interruptores, como los dispositivos SiC y GaN, y hacen que las cosas sean más seguras.

Punta:Siempre escoja un fusible o un interruptor que sea aproximadamente el 150% de su corriente normal. Esto detiene los viajes falsos, pero aún mantiene su circuito seguro.

Desacoplamiento y puesta a tierra

Desacoplamiento y puesta a tierraEs muy importante para el bienProtección del circuito, Especialmente en diseño de PCB. DesacoplamientoCondensadoresPicos de tensión de bloque y ruido. Póngalos cerca de los pines de alimentación de cada IC. Utilice diferentes tamaños para bloquear muchos tipos de ruido.

Una buena conexión a tierra proporciona un camino seguro para las corrientes de falla y reduce el ruido. Aquí hay algunas de las mejores maneras de hacerlo:

• Utilice un plano de tierra sólido en su PCB.

• Mantenga los caminos de tierra cortos y anchos.

• No enrolle cable de tierra adicional dentro de los paneles.

• Use vías de tierra y costura para mantener cortos los caminos de retorno.

• Conecte los cables de tierra con curvas suaves y longitudes cortas.

Errores comunes:

1. No comprobar la resistencia a tierra después de la configuración.

2. Olvidarse de volver a conectar caminos terrestres después de mover cosas.

3. Usar cables de tierra que sean demasiado pequeños para las corrientes de falla.

4. Bobinando alambre extra, lo que hace que la impedancia sea más alta.

5. No pensar en todo el sistema de puesta a tierra al diseñar.

El desacoplamiento y la conexión a tierra también ayudan con el control del calor y el blindaje EMI. Ellos mantienen sus señales limpias y su equipo a salvo de sobretensiones y fugas.

Recuerda:Buen desacoplamiento y puesta a tierra hacen que suProtección del circuitoMucho mejor, especialmente en diseños rápidos y de alta potencia.

Guía de diseño de protección de circuitos

Evaluación de amenazas

Comience por encontrar todos los peligros eléctricos en su diseño. Use ideas de diseño seguro y herramientas especiales para ayudarlo. Una buena gestión de riesgos significa buscar problemas temprano y hacer un plan.

• IntentaSoftware como SafetyCulturePara hacer listas de verificación y vigilar los peligros.

• Haz que tu diseño sea fácil de revisar y arreglar.

• Pruebe y mire su sistema antes de usarlo.

También puede usar reglas comoMIL-STD-882E. Esta regla lo ayuda a encontrar peligros, verificar riesgos y realizar un seguimiento de ellos a medida que se utiliza su sistema.

Selección de componentes

Elija piezas de protección que se ajusten a lo que necesita su circuito. Use la siguiente tabla para comparar lo que más importa:

Alta humedad y calorPuede causar óxido o grietas. Elija piezas con recubrimientos o hechas de materiales a prueba de óxido para lugares difíciles.

Elección de la topología

Elija una configuración de protección que funcione para su circuito.

• Piense en lo que puede salir mal, como demasiado voltaje o corriente.

• Sigue las reglas para tu tipo de proyecto.

• EquilibrioTamaño, costo y qué tan bien funciona.

• Decida si necesita aislamiento o cosas especiales como acción rápida.

También piense en el ahorro de energía, el rango de voltaje y lo fácil que es agregar la configuración a su diseño.

Consejos de integración

Cuando agregue protección a su PCB, use estos consejos:

1. Mantenga las piezas de alto voltaje separadasPara que no se desaten.

2. Use líneas cortas y anchas paraDiodos ESD y ponerlos cerca de los conectores.

3. Agregue resistencias limitadoras de corriente cerca de las piezas que necesitan un cuidado adicional.

4. Use recubrimientos para evitar el polvo y el agua.

5. Siga las reglas de seguridad para el espacio y el aislamiento.

Consejo: Use resistencias pull-up o pull-down para mantener seguros los pines no utilizados. Siempre pruebe su protección de circuito en placas reales antes de terminar.

Puede mantener su circuito seguro eligiendo buenas partes y planificando bien el diseño. Siempre buscaProtección ESD, fusibles y espacio suficienteEntre partes.Use condensadores y diodos para detener las sobretensiones y los picos. Asegúrese de que las bobinas de relé tengan diodos flyback para protegerlas. Utilice esta lista de comprobación paraCompruebe su diseño:

1. Asegúrese de que todas las entradas tengan protección contra ESD y fusibles.

2. Busque formas de detener la sobretensión, la sobrecorriente y la polaridad inversa.

3. Coloque condensadores de desacoplamiento cerca de ICs y conectores.

4. Pruebe su diseño con herramientas de simulación.

5. MantenerSuficiente espacio y buena conexión a tierra.

Sigue aprendiendo sobre nuevas formas de proteger los circuitos. Revise sus diseños a menudo para que no fallen.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la razón principal para usar protección de circuito?

Usted utiliza la protección de circuito para detener el daño de demasiada corriente o voltaje. Esto mantiene sus dispositivos seguros y ayuda a prevenir incendios o descargas eléctricas. Una buena protección también hace que sus productos electrónicos duren más.

¿Cómo elijo el fusible adecuado para mi proyecto?

Elija un fusible con una clasificación de corriente justo por encima de su carga normal. Verifique la clasificación de voltaje y asegúrese de que coincida con su circuito. Busque fusibles de acción rápida para las partes sensibles y fusibles de golpe lento para motores o lámparas.

¿Dónde debo colocar los diodos ESD en mi PCB?

Coloque los diodos ESD lo más cerca posible de los conectores o chips sensibles. Esto detiene la electricidad estática antes de que pueda alcanzar y dañar sus partes importantes.

¿Puedo usar los diodos MOVs y TVS juntos?

Sí, puedes usar ambos. Los MOVs manejan grandes sobretensiones, mientras que los diodos TVS reaccionan más rápido a pequeños picos. El uso de ambos le brinda una mejor protección para diferentes tipos de eventos de voltaje.

¿Cuál es la mejor manera de probar la protección de mi circuito?

Puede usar un generador de sobretensiones o una pistola ESD para probar su diseño. Observa cómo reacciona tu circuito. Asegúrese de que todas las piezas de protección funcionen según lo planeado y que nada se caliente demasiado o falle.