Conception de circuits de protection de circuits efficaces: composants clés et topologies pour les ingénieurs

Vous faites face à de nombreux dangers électriques dans les systèmes électroniques d'aujourd'hui. Certains dangers communs sont:

• Événements de surintensité tels que surcharges et courts-circuits. Ceux-ci peuvent blesser vos appareils.

• Pointes de surtension dues à la foudre ou aux surtensions de commutation. Ceux-ci peuvent endommager l'électronique sensible.

• Failles à la terre et défauts d'arc. Ceux-ci peuvent causer des incendies ou des risques de choc.

La protection des circuits aide à arrêter les pannes d'équipement, les risques de sécurité et les temps d'arrêt coûteux. Si vous choisissez le bon plan pour chaque danger, vous rendrez vos systèmes plus sûrs et plus fiables.

Les clés à emporter

• Choisissez les bonnes pièces de protection comme les fusibles, les polyfusibles, les téléviseursDiodes, Et MOVs pour les besoins de votre circuit et où il sera utilisé. Utilisez de bonnes configurations de protection comme la limitation de courant en série, le serrage de la tension de shunt et les circuits de pied de biche pour arrêter trop de courant ou de tension. Placez les pièces de protection à proximité des pièces importantes et utilisez une bonne mise à la terre et un bon découplage pour rendre les choses plus sûres et mieux fonctionner. Planifiez votre conception en examinant les risques, en choisissant les bonnes pièces et en testant votre circuit pour vous assurer qu'il fonctionne bien. Vérifiez et prenez soin des dispositifs de protection tels que MOV et fusibles souvent pour garder votre système en sécurité et arrêter les problèmes.

Composants de protection de circuit

Fusibles et polyfusibles

Fusibles et polyfusiblesSont des outils communs pourProtection de circuit. Ils aident à arrêter les dommages causés par trop de courant.

• FusiblesGardez votre circuit en toute sécurité en brisant le chemin si le courant est trop élevé. À l'intérieur, un fil fin fond lorsqu'il y a trop de courant. Cela arrête l'électricité et protège vos appareils. Vous pouvez trouver des fusibles dans les voitures, les ordinateurs, les alimentations électriques et les grandes lignes électriques.

• PolyfusiblesSont également appelés fusibles réarmables. Ils travaillent d'une manière différente. Lorsque trop de courant circule, leur résistance augmente. Cela limite le courant et protège votre circuit. Lorsque l'appareil refroidit, le polyfuse se réinitialise et fonctionne à nouveau. Les polyfusibles sont utilisés lorsque le changement d'un fusible est difficile, comme dans les chargeurs de téléphone ou les équipements aérospatiaux.

Astuce:Choisissez polyfuses si vous voulez qu'ils se réinitialisent eux-mêmes. Utilisez des fusibles réguliers si vous voulez une action rapide et un remplacement facile.

Voici une comparaison rapide:

Vous devez choisir le bon type en fonction de la rapidité avec laquelle vous avez besoin d'une protection, de la facilité de remplacement des pièces et de l'environnement.

TVS et diodes ESD

Diodes TVS et diodes ESDProtéger l'électronique des pics de tension. Quand une haute tension soudaine se produit, une diode de TVS envoie rapidement l'énergie supplémentaire loin. Cela maintient la tension en toute sécurité pour vos pièces.

Les diodes TVS agissent très rapidement. Ils peuvent gérer de grandes surtensions dues à la foudre, à l'électricité statique ou à la commutation. Vous les utilisez dans les ordinateurs, l'équipement de communication et l'électronique extérieure. Les diodes ESD fonctionnent de la même manière. Ils protègent contre les chocs statiques qui peuvent ruiner les petits éclats.

Remarque:Placez toujours les téléviseurs ou les diodes ESD près de la pièce que vous souhaitez protéger. Cela donne le meilleurProtection de circuit.

MOVs et inducteurs

MOVs etInducteursAider avec les surtensions et les pointes.

MOVs sont des résistances spéciales. Lorsque la tension est normale, ils ne font rien. Si la tension devient trop élevée, ils commencent à conduire et à prendre l'énergie supplémentaire. Cela protège votre circuit des surtensions soudaines, comme celles de la commutation ou de la foudre. Les MOV sont utilisés dans les alimentations et les commandes de moteur.

Les inducteurs stockent de l'énergie dans un champ magnétique. Ils ralentissent les changements soudains de courant. Si vous éteignez une bobine rapidement, il peut faire unPic haute tension. Un MOV peut arrêter ce pic, mais parfois une diode est préférable pour les pièces très sensibles.

Avertissement: Les MOV s'affaiblissent avec le temps. Chaque poussée les rend moins forts. Ils peuvent échouer en court-circuit, ce qui peut provoquer un incendie, ou en s'ouvrant, ce qui laisse votre circuit sans protection. Vérifiez souvent les MOV et remplacez-les si vous voyez des fissures ou des changements de couleur.

Voici quelques conseils pour utiliser les MOV:

• Ajouter un fusible thermiquePour arrêter la surchauffe.

• Gardez les MOV à l'écart de la chaleur et de l'eau.

• Remplacez les MOV après de nombreuses surtensions ou s'ils semblent endommagés.

Appareils Crowbar

Appareils CrowbarDonnez la protection forte contre de grands événements de surtension. Lorsque la tension devient trop élevée, un dispositif de pied de biche fait un chemin court. Cela réduit rapidement la tension et protège votre équipement.

Vous utilisez des circuits de pied-de-biche dans les éoliennes et les systèmes d'alimentation. Lorsqu'un défaut se produit, le pied-de-biche agit rapidement pour protéger l'électronique. Une fois le danger disparu, vous devez réinitialiser le système pour recommencer.

Les appareils Crowbar sont simples et pas chers. Ils fonctionnent bien là où vous devez vous protéger contre les défauts soudains et importants.

Protection ICs

Protection ICsMettre de nombreuses fonctionnalités de protection dans une petite puce. Vous pouvez les utiliser pour économiser de l'espace et simplifier votre conception. Certains CI protègent contre les surintensantes, les surtensions et même les problèmes de température.

Voici quelques raisons d'utiliser des CI de protection:

• Ils rendent votre conception plus petite et plus facile à construire.

• Ils réduisent le risque d'erreurs pendantAssemblée.

• Ils utilisent moins d'énergie et peuvent être plus fiables que l'utilisation de nombreuses pièces séparées.

Mais si un IC de protection échoue, vous devez souvent changer la puce entière. Il peut également être plus difficile de trouver le problème exact par rapport à l'utilisation de pièces séparées. Dans les systèmes importants, vous devez penser aux avantages d'une conception facile par rapport aux coûts et aux problèmes de réparation.

Astuce:Utilisez des CI de protection pour les conceptions petites et fiables. Utilisez des pièces séparées si vous voulez une réparation facile ou si vous voulez éviter les problèmes d'approvisionnement.

Topologies de protection

Lorsque vous faites un plan pourProtection de circuitVous devez choisir la bonne configuration. Chaque configuration aide avec différents problèmes électriques. Voici quelques-uns des plus importants.

Limitation actuelle de série

Les configurations de limitation de courant en série gardent votre circuit en sécurité en contrôlant le courant. Vous mettez une partie limitante en ligne avec votre charge. Cette partie agit lorsque le courant devient trop élevé.

Voici un tableau qui montre les configurations de limitation de courant en série courantes et leur fonctionnement:

Vous utilisez ces configurations dans les alimentations et les chargeurs de batterie.Chaque chemin a de bons et de mauvais points:

1. Plus de pièces signifie un coût plus élevé et plus de choses à construire.

2. Le circuit peut devenir chaud, vous devez donc bien gérer la chaleur.

3. La limite actuelle peut changer si elle devient chaude ou froide.

4. La tension à votre charge peut chuter lors de la limitation.

5. Foldback peut ne pas bien fonctionner avec des choses comme les moteurs ou les lampes.

Astuce:Vérifiez toujours la puissance que vos pièces de limitation peuvent supporter. Si vous oubliez la chaleur, votre protection pourrait ne pas fonctionner.

Certaines nouvelles conceptions utilisentSources de courant intelligentes et programmes spéciaux. Ceux-ci aident le circuit à réagir plus rapidement et avec plus de précision, en particulier dans les cas d'utilisation par défaut DC.

Serrage de tension de shunt

Le serrage de la tension shunt protège votre circuit des pics de tension. Vous connectez une pièce de serrage entre la ligne d'alimentation et la terre. Lorsque la tension est normale, la pièce ne fait rien. Lorsque la tension saute, la pièce s'allume et envoie de l'énergie supplémentaire à la terre.

Voici un tableau qui montre les pièces de serrage courantes et à quelle vitesse elles réagissent:

Les diodes TVS agissent le plus rapidement. Les MOV et les diodes Zener sont également rapides. Les tubes à décharge de gaz sont plus lents mais peuvent gérer des surtensions plus importantes. Vous choisissez la bonne pièce en fonction de la rapidité et de la force dont vous avez besoin pour la protection.

Lorsque vous travaillez avecCircuits numériques rapides, Rappelez-vous ces conseils:

• Utiliser le shuntRésistancesAvec une faible résistance pour arrêter la perte de tension.

• Choisissez les pièces avec la basse inductance pour les signaux rapides.

• Assurez-vous que la puissance nominale correspond à vos besoins.

• Placez la partie de serrage près de ce que vous voulez protéger.

Remarque:Le bon placement et les pièces de bas-inductance aident votreProtection de circuitFonctionnent mieux dans les circuits rapides.

Circuits Crowbar

Circuits CrowbarDonner une forte protection contre les surtensions. Lorsque la tension devient trop élevée, la partie du pied de biche court-circuite la sortie à la terre. Cela fait sauter un fusible ou déclenche un disjoncteur, coupant l'alimentation pour garder votre équipement en toute sécurité.

Les circuits Crowbar utilisent des thyristors ou SCR. Ils fonctionnent bien dans les grands systèmes d'alimentation comme les alimentations électriques et les éoliennes. Mais ils sont plus lents que les nouveaux circuits comparateur plus MOSFET. Les crowbars peuvent stresser votre alimentation avant que le fusible ne saute. Ils ne se réinitialisent pas d'eux-mêmes, vous devez donc résoudre le problème et changer le fusible avant de recommencer.

Alerte:Les circuits de Crowbar sont simples et bons pour les gros défauts, mais ils sont plus lents et pas aussi flexibles que les nouvelles façons.

Protection de l'interrupteur

La protection Switch maintient votreTransistorsEt commutateurs à l'abri des shorts et des surcharges. Vous pouvez utiliser unFusible pour une protection simpleComme dans les batteries et les circuits basse tension. Les fusibles sont faciles à utiliser et fonctionnent bien.

Pour une meilleure protection, vous pouvez utiliser un transistor et une résistance de détection. Lorsque le courant devient trop élevé, le transistor éteint l'interrupteur. Par exemple, si vous voulezCoupé à 2A, Utilisez une résistance qui chute de 0,6 V à ce courant (R = 0,3Ω). Manipulez la chaleur en utilisant de grandes zones de PCB et une bonne soudure.

Dans les circuits grands ou sensibles, vous pouvez utiliser des astuces spéciales commePinces Miller et détection de la désaturation. Ceux-ci aident à protéger les nouveaux commutateurs, tels que les dispositifs SiC et GaN, et à rendre les choses plus sûres.

Astuce:Choisissez toujours un fusible ou un disjoncteur qui est d'environ 150% de votre courant normal. Cela arrête les faux voyages, mais maintient toujours votre circuit en toute sécurité.

Découplage et mise à la terre

Découplage et mise à la terreSont très importants pour le bienProtection de circuit, En particulier dans la conception de PCB. DécouplageCondensateursLes pics de tension de bloc et le bruit. Mettez-les près des broches d'alimentation de chaque IC. Utilisez différentes tailles pour bloquer de nombreux types de bruit.

Une bonne mise à la terre donne un chemin sûr pour les courants de défaut et abaisse le bruit. Voici quelques meilleures façons de le faire:

• Utilisez un plan de masse solide dans votre PCB.

• Gardez les chemins au sol courts et larges.

• Ne pas enrouler le fil de terre supplémentaire à l'intérieur des panneaux.

• Utilisez des vias moulus et des coutures pour garder les chemins de retour courts.

• Connectez les fils de terre avec des coudes lisses et des longueurs courtes.

Erreurs communes:

1. Ne pas vérifier la résistance au sol après la configuration.

2. Oublier de reconnecter les chemins au sol après avoir déménagé des choses.

3. Utiliser des fils de terre trop petits pour les courants de défaut.

4. Enroulement fil supplémentaire, ce qui rend l'impédance plus élevée.

5. Ne pas penser à l'ensemble du système de mise à la terre lors de la conception.

Le découplage et la mise à la terre aident également au contrôle de la chaleur et au blindage EMI. Ils gardent vos signaux propres et votre équipement à l'abri des surtensions et des fuites.

Rappelez-vous:Bon découplage et mise à la terre faire votreProtection de circuitBeaucoup mieux, surtout dans les conceptions rapides et de haute puissance.

Guide de conception de la protection des circuits

Évaluation de la menace

Commencez par trouver tous les dangers électriques dans votre conception. Utilisez des idées de conception sûres et des outils spéciaux pour vous aider. Une bonne gestion des risques signifie que vous recherchez les problèmes tôt et que vous faites un plan.

• EssayezLogiciel comme SafetyCulturePour faire des listes de contrôle et surveiller les dangers.

• Rendez votre conception facile à vérifier et à réparer.

• Testez et examinez votre système avant de l'utiliser.

Vous pouvez également utiliser des règles telles queMIL-STD-882E. Cette règle vous aide à trouver les dangers, à vérifier les risques et à les suivre lorsque votre système est utilisé.

Sélection des composants

Choisissez des pièces de protection qui correspondent à ce dont votre circuit a besoin. Utilisez le tableau ci-dessous pour comparer ce qui compte le plus:

Humidité et chaleur élevéesPeut causer de la rouille ou des fissures. Choisissez des pièces avec des revêtements ou faites à partir des matériaux antirouille pour les endroits durs.

Choix de topologie

Choisissez une configuration de protection qui fonctionne pour votre circuit.

• Pensez à ce qui peut mal tourner, comme trop de tension ou de courant.

• Suivez les règles pour votre type de projet.

• ÉquilibreLa taille, le coût, et comment il fonctionne.

• Décidez si vous avez besoin d'isolement ou de choses spéciales comme une action rapide.

Pensez également à économiser de l'énergie, à la plage de tension et à la facilité avec laquelle il est possible d'ajouter la configuration à votre conception.

Conseils d'intégration

Lorsque vous ajoutez une protection à votre PCB, utilisez ces conseils:

1. Gardez les pièces haute tension éloignées les unes des autresAfin qu'ils ne déclenchent pas.

2. Utilisez des lignes courtes et larges pourLes diodes ESD et les mettre près des connecteurs.

3. Ajoutez des résistances de limitation de courant à proximité des pièces nécessitant un soin supplémentaire.

4. Utilisez des revêtements pour empêcher la poussière et l'eau.

5. Suivez les règles de sécurité pour l'espace et l'isolation.

Conseil: Utilisez des résistances pull-up ou pull-down pour garder les broches inutilisées en toute sécurité. Testez toujours votre protection de circuit sur de vraies cartes avant de terminer.

Vous pouvez garder votre circuit sûr en choisissant les bonnes pièces et en planifiant bien la mise en page. Toujours chercherProtection ESD, fusibles et suffisamment d'espaceEntre les parties.Utilisez des condensateurs et des diodes pour arrêter les surtensions et les pointes. Assurez-vous que les bobines de relais ont des diodes flyback pour les protéger. Utilisez cette liste de contrôle pourVérifiez votre conception:

1. Assurez-vous que toutes les entrées ont une protection ESD et fusible.

2. Cherchez des moyens d'arrêter la surtension, la surintensité et l'inversion de polarité.

3. Placez les condensateurs de découplage à proximité des circuits intégrés et des connecteurs.

4. Essayez votre conception avec des outils de simulation.

5. GardezAssez d'espace et une bonne mise à la terre.

Continuez à apprendre de nouvelles façons de protéger les circuits. Vérifiez souvent vos conceptions afin qu'elles n'échouent pas.

FAQ

Quelle est la principale raison d'utiliser la protection de circuit?

Vous utilisez une protection de circuit pour arrêter les dommages causés par trop de courant ou de tension. Cela protège vos appareils et aide à prévenir les incendies ou les chocs électriques. Une bonne protection permet également à vos appareils électroniques de durer plus longtemps.

Comment choisir le bon fusible pour mon projet?

Choisissez un fusible avec un courant nominal juste au-dessus de votre charge normale. Vérifiez la tension nominale et assurez-vous qu'elle correspond à votre circuit. Recherchez des fusibles à action rapide pour les pièces sensibles et des fusibles à soufflage lent pour les moteurs ou les lampes.

Où dois-je placer des diodes ESD sur mon PCB?

Placez les diodes ESD aussi près que possible des connecteurs ou des puces sensibles. Cela arrête l'électricité statique avant qu'elle puisse atteindre et endommager vos pièces importantes.

Puis-je utiliser les deux MOV et les diodes TVS ensemble?

Oui, vous pouvez utiliser les deux. Les MOV gèrent les grandes surtensions, tandis que les diodes TVS réagissent plus rapidement aux petites pointes. L'utilisation des deux vous donne une meilleure protection pour différents types d'événements de tension.

Quelle est la meilleure façon de tester la protection de mon circuit?

Vous pouvez utiliser un générateur de surtension ou un pistolet ESD pour tester votre conception. Regardez comment votre circuit réagit. Assurez-vous que toutes les pièces de protection fonctionnent comme prévu et que rien ne chauffe trop ou ne tombe en panne.