効果的な回路保護回路の設計: エンジニアのための主要なコンポーネントとトポロジ

あなたは今日の電子システムで多くの電気的危険に対処します。一般的な危険性は次のとおりです。

• 過負荷や短絡などの過電流イベントを使用します。これらはあなたのデバイスを傷つける可能性があります。

• 雷またはスイッチングサージによる過電圧スパイク。これらは敏感な電子機器に害を及ぼす可能性があります。

• 地上断層とアーク断層を使用します。これらは火災や衝撃の危険を引き起こす可能性があります。

回路保護は、機器の故障、安全上のリスク、および高価なダウンタイムを防ぐのに役立ちます。危険ごとに適切な計画を選択すると、システムがより安全で信頼性の高いものになります。

重要なポイント

• ヒューズ、ポリヒューズ、TVSなどの適切な保護部品を選択してくださいダイオード、および回路のニーズとそれが使用される場所に対応するMOV。直列電流制限、シャント電圧クランプ、バール回路などの優れた保護セットアップを使用して、電流や電圧が多すぎるのを止めます。保護部品を重要な部品の近くに置き、良好な接地とデカップリングを使用して、物事をより安全に機能させます。リスクを調べ、適切な部品を選び、回路をテストして、うまく機能することを確認して、設計を計画します。MOVやヒューズなどの保護デバイスを頻繁にチェックして世話をし、システムを安全に保ち、問題を止めます。

回路保護コンポーネント

ヒューズとポリヒューズ

ヒューズとポリヒューズのための一般的なツールは回路保護を使用します。彼らはあまりにも多くの流れからのダメージを止めるのに役立ちます。

• ヒューズ電流が高すぎる場合は、パスを壊すことで回路を安全に保ちます。内部では、電流が多すぎると細いワイヤーが溶けます。これは電気を停止し、デバイスを安全に保ちます。車、コンピューター、電源、大きな電力線にヒューズがあります。

• ポリヒューズリセット可能なヒューズとも呼ばれます。彼らは別の方法で働きます。あまりにも多くの電流が流れると、それらの抵抗が上がります。これは電流を制限し、回路を保護します。デバイスが冷えると、ポリヒューズはリセットして再び動作します。ポリヒューズは、電話の充電器や航空宇宙機器のように、ヒューズの交換が難しい場合に使用されます。

ヒント:ポリヒューズを自分でリセットしたい場合は選択してください。迅速なアクションと簡単な交換が必要な場合は、通常のヒューズを使用してください。

簡単な比較は次のとおりです。

保護が必要な速さ、部品の交換がいかに簡単か、環境に基づいて適切なタイプを選択する必要があります。

TVSおよびESDダイオード

TVSダイオードとESDダイオード電圧スパイクから電子機器を保護するを使用します。突然の高電圧が発生すると、TVSダイオードはすぐに余分なエネルギーを送り出します。これはあなたの部品のために電圧を安全に保ちます。

TVSダイオードは非常に速く作用しますを使用します。彼らは、雷、静的、またはスイッチングからの大きなサージを処理できます。コンピューター、通信機器、屋外の電子機器で使用します。ESDダイオードも同様に機能します。彼らは小さなチップを台無しにすることができる静的なショックから保護します。

注:常にあなたが保護したい部分の近くにTVSまたはESDダイオードを置きます。これは最高を与える回路保護を使用します。

MOVとインダクタ

MOVとインダクタ電圧サージとスパイクを助けます。

MOVは特別な抵抗器ですを使用します。電圧が正常であるとき、彼らは何もしません。電圧が高くなりすぎると、彼らは行動を開始し、余分なエネルギーを取り入れます。これにより、スイッチングや雷などの突然のサージから回路を安全に保ちます。MOVは電源とモーター制御で使用されます。

インダクタは磁界にエネルギーを蓄えます。彼らは電流の突然の変化を遅くします。コイルをすぐに消せば、それはaを作ることができます高圧スパイクを使用します。MOVはこのスパイクを止めることができますが、非常に敏感な部品にはダイオードが優れている場合があります。

警告: MOVは時間の経過とともに弱くなりますを使用します。各サージはそれらをより少なくします。それらは、火災を引き起こす可能性のあるショート、または回路を保護せずに開くことによって失敗する可能性があります。MOVを頻繁にチェックし、亀裂や色の変化が見られる場合は交換してください。

MOVを使用するためのヒントを次に示します。

• サーマルヒューズを追加する过热を止めるため。

• MOVを熱と水から遠ざけてください。

• 多くの急増の後、または損傷しているように見える場合は、MOVを交換してください。

Crowbarデバイス

Crowbarデバイス大きいovervoltageイベントに対して強い保護を与えて下さい。電圧が高くなりすぎると、バールデバイスは短い経路を作ります。これはすぐに電圧を下げ、機器を安全に保ちます。

風力タービンと電力システムでバール回路を使用します。障害が発生すると、バールは電子機器を保護するために迅速に機能します。危険がなくなったら、システムをリセットして再度起動する必要があります。

Crowbarデバイスはシンプルで高価ではありません。彼らはあなたが突然の大きな欠点から保護する必要があるところでうまく機能します。

保護IC

保護IC1つの小さなチップに多くの保護機能を入れます。それらを使用してスペースを節約し、デザインを簡単にすることができます。一部のICは、過電流、過電圧、さらには温度の問題からも保護します。

保護ICを使用するいくつかの理由は次のとおりです。

• 彼らはあなたのデザインを小さくし、構築しやすくします。

• 彼らは中に間違いの可能性を下げるアセンブリを使用します。

• それらはより少ない電力を使用し、多くの別々の部品を使用するよりも信頼できます。

しかし、保護ICが故障した場合は、しばしばチップ全体を変更する必要があります。また、別々の部品を使用する場合に比べて、正確な問題を見つけるのが難しい場合があります。重要なシステムでは、コストと修理の問題に対する簡単な設計の利点について考える必要があります。

ヒント:小さい、信頼できる設計のための保護ICを使用して下さい。容易な修理がほしいと思うかまたは供給の問題を避けたいと思えば別の部品を使用して下さい。

保護トポロジ

あなたが計画を立てるとき回路保護、正しいセットアップを選択する必要があります。各セットアップは、さまざまな電気的問題に役立ちます。ここに最も重要なものがいくつかあります。

シリーズ現在の制限

シリーズ電流制限セットアップは、電流を制御することで回路を安全に保ちます。あなたはあなたの負荷に合わせて制限部分を置きます。この部分は、電流が高くなりすぎると作用します。

これは、一般的なシリーズの現在の制限設定とその仕組みを示す表です:

これらのセットアップは、電源とバッテリー充電器で使用します。それぞれの道には良い点と悪い点があります:

1. より多くの部品はより高いコストとより多くのものを構築することを意味します。

2. 回路が熱くなることがあるので、熱をうまく処理する必要があります。

3. 現在の制限は、暑くなったり寒くなったりすると変わる可能性があります。

4. 制限時に負荷への電圧が低下する可能性があります。

5. フォルドバックは、モーターやランプなどではうまく機能しない場合があります。

ヒント:制限部品が処理できる電力の量を常に確認してください。熱を忘れると、保護が機能しない可能性があります。

いくつかの新しいデザインを使用スマートな现在のソースと特别なプログラムを使用します。これらは、特にDCフォールトライドスルーの使用において、回路がより速く、より正確に反応するのを助けます。

シャント電圧クランプ

シャント電圧クランプは、電圧スパイクから回路を安全に保ちます。電源ラインとアースの間にクランプ部分を接続します。電圧が正常であるとき、部品は何もしません。電圧が上昇すると、部品がオンになり、余分なエネルギーが地面に送られます。

これは、一般的なクランプ部品とそれらがどのくらい速く反応するかを示す表です:

TVSダイオードは最速で動作します。MOVとZenerダイオードも速いです。ガス排出管は遅いですが、より大きなサージに対処できます。保護が必要な速さと強さに基づいて、適切な部分を選択します。

あなたが一緒に働くとき高速デジタル回路、これらのヒントを覚えておいてください:

• シャントを使用抵抗器電圧損失を止めるための低い抵抗を使って。

• 速い信号のための低いインダクタンスの部品を選んで下さい。

• 電力定格がニーズに合っていることを確認してください。

• クランプ部分を保護したいものの近くに置きます。

注:よい配置および低インダクタンスの部品はあなたを助けます回路保護速い回路でよりよく働きます。

バール回路

バール回路強いovervoltageの保護を与えて下さい。電圧が高くなりすぎると、バール部分は出力を地面にショートさせます。これはヒューズを吹き飛ばしたり、ブレーカーをトリップして、機器を安全に保つために電源を遮断します。

バール回路はサイリスタまたはSCRを使用します。それらは、電源や風力タービンなどの大規模な電力システムでうまく機能します。しかし、それらは新しいコンパレータとMOSFET回路よりも遅いです。クロウバーは、ヒューズが吹く前に電源にストレスを与える可能性があります。それらはそれ自体ではリセットされないので、問題を修正して、再起動する前にヒューズを変更する必要があります。

アラート:クロウバーサーキットはシンプルで大きな障害に適していますが、低速で新しい方法ほど柔軟性がありません。

スイッチ保護

スイッチ保護はあなたを保ちますトランジスタショートパンツや過負荷から安全に切り替えます。を使用することができますシンプルな保護のためのヒューズ、バッテリーパックや低電圧回路のように。ヒューズは使いやすく、うまく機能します。

より良い保護のために、トランジスタとセンシング抵抗を使用することができます。電流が高くなりすぎると、トランジスタはスイッチをオフにします。たとえば、2Aで断ち切る、その電流 (R = 0.3Ω) で0.6V降下する抵抗を使用します。大きなPCB領域と良好なはんだ付けを使用して熱を処理します。

大きな回路や敏感な回路では、次のような特別なトリックを使用できますミラークランプと脱飽和検出を使用します。これらは、SiCやGaNデバイスなどの新しいスイッチを保護し、物事をより安全にするのに役立ちます。

ヒント:通常の電流の約150% であるヒューズまたはブレーカーを常に選択してください。これは誤った旅行を止めますが、それでもあなたのサーキットを安全に保ちます。

デカップリングと接地

デカップリングと接地良いのために非常に重要です回路保護、特にPCBデザインで。デカップリングコンデンサブロック電圧スパイクとノイズ。それらを各ICのパワーピンの近くに置きます。さまざまなサイズを使用して、さまざまな種類のノイズをブロックします。

良好な接地は、断層電流の安全な経路を与え、ノイズを低下させる。これを行うためのいくつかの最良の方法があります:

• PCBでソリッドグラウンドプレーンを使用します。

• グラウンドパスを短く広く保ちます。

• パネルの中の余分なグラウンドワイヤーをコイルしないで下さい。

• 地上のビアとステッチを使用して、戻り経路を短くします。

• 滑らかな曲がりと短い長さのアース線を接続します。

よくある間違い:

1. セットアップ後に地面の抵抗をチェックしない。

2. 物を動かした後、地上の経路を再接続するのを忘れています。

3. 障害電流には小さすぎる接地線を使用します。

4. 余分なワイヤをコイル状にすると、インピーダンスが高くなります。

5. 設計時に接地システム全体について考えないを使用します。

デカップリングと接地は、熱制御とEMIシールドにも役立ちます。彼らはあなたの信号をきれいに保ち、あなたの機器は急増や漏れから安全です。

覚えておいてください:良いデカップリングと接地はあなたを作る回路保護特に高速でハイパワーのデザインでは、はるかに優れています。

回路保護デザインガイド

脅威評価

あなたのデザインのすべての電気的危険を見つけることから始めてください。安全なデザインのアイデアと特別なツールを使用してください。優れたリスク管理とは、問題を早期に探して計画を立てることを意味します。

• 試すソフトウェアのようなSafetyCultureチェックリストを作成し、危険を監視します。

• デザインをチェックして修正しやすくします。

• システムを使用する前に、システムをテストして調べます。

などのルールを使用することもできます。MIL-STD-882Eを使用します。このルールは、危険を見つけ、リスクをチェックし、システムが使用されているときにそれらを追跡するのに役立ちます。

コンポーネントの選択

あなたの回路が必要とするものに合う保護部品を選んでください。以下の表を使用して、最も重要なものを比較します。

高湿度と熱さびや亀裂を引き起こす可能性があります。丈夫な場所のために、コーティングまたは防錆材料で作られた部品を選びます。

トポロジーの選択

あなたの回路のために働く保護のセットアップを選んで下さい。

• 電圧や電流が多すぎるなど、何がうまくいかないかを考えてください。

• プロジェクトのタイプのルールに従ってください。

• バランスサイズ、コスト、およびそれがどれだけうまく機能するかを使用します。

• 分離または高速アクションなどの特別なものが必要かどうかを判断します。

また、省電力、電圧範囲、および設計にセットアップを追加するのがいかに簡単かについても考えてください。

統合のヒント

PCBに保護を追加するときは、次のヒントを使用してください。

1. 高圧部品を遠くに保つだから彼らは火花を散らしません。

2. のための短い、広いラインを使用して下さいESDダイオードとコネクタの近くに置くを使用します。

3. 特別な注意が必要な部品の近くに電流制限抵抗を追加します。

4. ほこりや水を防ぐためにコーティングを使用してください。

5. スペースと断熱材の安全規則に従ってください。

ヒント: プルアップまたはプルダウン抵抗を使用して、未使用のピンを安全に保ちます。終了する前に、常に実際のボードで回路保護をテストしてください。

良い部分を選び、レイアウトをうまく計画することで、回路を安全に保つことができます。常に探すESD保護、ヒューズ、および十分なスペース部品間。コンデンサとダイオードを使用してサージとスパイクを止めますを使用します。リレーコイルにそれらを保護するフライバックダイオードがあることを確認してください。このチェックリストを使用して、デザインをチェック:

1. すべての入力にESDとヒューズの保護があることを確認します。

2. 過電圧、過電流、および逆極性を停止する方法を探します。

3. デカップリングコンデンサをICとコネクタの近くに置きます。

4. シミュレーションツールでデザインを試してみてください。

5. 維持十分なスペースと良い接地を使用します。

回路を保護する新しい方法について学び続けてください。それらが失敗しないようにあなたのデザインを頻繁にチェックしてください。

よくある質問

回路保護を使用する主な理由は何ですか?

回路保護を使用して、電流や電圧が大きすぎることによる損傷を防ぎます。これにより、デバイスを安全に保ち、火災や感電を防ぐことができます。良い保護はまたあなたの電子機器を長持ちさせます。

プロジェクトに適したヒューズを選択するにはどうすればよいですか?

通常の負荷のすぐ上にある現在の定格のヒューズを選択します。電圧定格を確認し、回路と一致することを確認してください。敏感な部品用の速効ヒューズとモーターまたはランプ用のスローブローヒューズを探してください。

PCBのどこにESDダイオードを置くべきですか?

ESDダイオードをコネクタまたは敏感なチップのできるだけ近くに置きます。これにより、重要な部品に到達して損傷する前に静電気が停止します。

MOVとTVSダイオードの両方を一緒に使用できますか?

はい、両方を使用できます。MOVは大きなサージを処理しますが、TVSダイオードは小さなスパイクに対してより速く反応します。両方を使用すると、さまざまなタイプの電圧イベントをよりよく保護できます。

回路保護をテストする最良の方法は何ですか?

サージジェネレーターまたはESDガンを使用して、設計をテストできます。回路がどのように反応するかを見てください。すべての保護部品が計画どおりに機能し、熱くなりすぎたり失敗したりしないようにしてください。