V moderných priemyselných a automobilových elektronických systémoch zohráva kľúčovú úlohu technológia ochrany obvodov. Keďže integrácia a zložitosť zariadení sa neustále zvyšuje, problémy ako nadprúd, prepätie, elektrostatický výboj (ESD) a elektromagnetické rušenie (EMI) sú čoraz výraznejšie. Správny výber komponentov ochrany obvodu môže účinne predĺžiť životnosť zariadení a zabezpečiť stabilitu a spoľahlivosť systému.

Č. 4. Konštrukčné úvahy o ochrane obvodov v praktických aplikáciách

Čo je ochrana obvodu?

Ochrana obvodu sa vzťahuje na opatrenia prijaté na ochranu elektronických zariadení alebo energetických systémov pred nezvratným poškodením spôsobeným abnormálnym objtage, nadprúd, skrat, prepätie atď. Zjednodušene povedané, ochrana obvodu funguje ako "bezpečnostný kryt" elektronických zariadení. Prostredníctvom rôznych komponentov alebo riešení vedie a absorbuje abnormality obvodov, aby sa zabránilo poškodeniu kritických komponentov. Bežné komponenty ochrany obvodov zahŕňajú, ale nie sú obmedzené na:

Varistor oxidu kovu (MOV)

Absorbuje prepätie, aby sa zabránilo poškodeniu citlivých komponentov.

Dióda na potlačenie prechodného napätia (TVS)

Rýchlo reaguje na napäťové špičky a chráni obvod pred prechodnými prepätiami.

Plynová výbojka (GDT)

Známy pre svoju vysokú odolnosť proti prepätiu, bežne používaný v komunikačných zariadeniach a priemyselnej ochrane napájania.

Poistka polymérového kladného teplotného koeficientu (PPTC)

Počas nadprúdu preruší obvod a po odstránení poruchy sa automaticky obnoví.

Špeciálne požiadavky na priemyselné a automobilové aplikácie

V priemyselnom prostredí musí zariadenie odolávať drsným podmienkam, ako sú vysoké teploty, vlhkosť, prach a vibrácie. Preto musia mať ochranné komponenty vlastnosti, ako je odolnosť voči vysokým teplotám, tolerancia vysokého napätia a dlhá životnosť. V automobilových aplikáciách musia elektronické komponenty spĺňať normy AEC-Q a musia byť odolné voči nárazom, vibráciám a širokým teplotným rozsahom (zvyčajne od -40 °C do 125 °C).

Bežné komponenty ochrany obvodov a ich aplikácie

Tu je niekoľko bežných komponentov ochrany obvodu:

Varistor oxidu kovu (MOV)

MOV sa bežne používajú na ochranu proti prepätiu v elektronických obvodoch. Keď dôjde k prepätiu, MOV obmedzí napätie na určitú úroveň prostredníctvom svojich nelineárnych charakteristík, čím zabráni poškodeniu iných komponentov. MOV sú obzvlášť široko používané v obvodoch striedavého prúdu.

Obrázok 3-1: Varistor z oxidu kovu, 385V

Sklenená výbojka

Sklenená výbojka kombinuje výhody keramických plynových výbojok a zároveň spĺňa vyššie požiadavky na prierazné napätie jednosmerného prúdu. Má nízke vodivé napätie a vysoký vybíjací prúd, vďaka čomu je vhodný do drsných prostredí s ochranou pred bleskom. Je široko používaný v automobilových a komunikačných zariadeniach.

Diódy na potlačenie prechodného napätia (diódy TVS)

Diódy TVS zohrávajú dôležitú úlohu pri ochrane obvodov, najmä pri ochrane citlivých komponentov. Ich rýchlosť odozvy je extrémne vysoká (v pikosekundovom rozsahu), čo im umožňuje rýchlo prerušiť prepätie. V dôsledku toho sa často používajú na ochranu I/O portov v kritických aplikáciách prenosu dát.

Keramická plynová výtlačná trubica

Keramické plynové výbojky sú jedným z najčastejšie používaných typov zariadení na ochranu proti prepätiu. Zohrávajú významnú úlohu pri jednosmernom napájaní a prepäťovej ochrane signálu. Ich konštrukcia sa vyznačuje veľkou prúdovou zaťažiteľnosťou, malou kapacitou medzi stupňami a vysokým izolačným odporom, ktorý môže rýchlo chrániť obvod pred poškodením v prípade blesku alebo iných prepätí.

Obrázok 3-4: Keramická plynová výbojka

Poistka polymérneho kladného teplotného koeficientu (PPTC)

Poistky PPTC používajú polymérne materiály, ktoré rýchlo zvyšujú odpor pri nadprúde, čím chránia obvod. Po vymazaní nadprúdu sa poistka vráti do pôvodného stavu nízkeho odporu, čím sa zabráni potrebe častej výmeny poistiek.

Konštrukčné úvahy o ochrane obvodov v praktických aplikáciách

Vyberte správny typ komponentu:

Vyberte komponenty s primeranou rýchlosťou odozvy a schopnosťou manipulácie s energiou na základe špecifických aplikačných scenárov a potrieb ochrany.

Zvážte faktory prostredia:

V priemyselnom a automobilovom prostredí zvážte vplyv vonkajších podmienok, ako je teplota, vlhkosť a mechanické nárazy, na výkon komponentov.

Spĺňajte priemyselné normy:

Automobilové komponenty musia spĺňať normy AEC-Q100 alebo AEC-Q200, zatiaľ čo priemyselné komponenty musia prejsť príslušnými certifikáciami vysokej spoľahlivosti.

Dizajn ochrannej reťaze:

Použite kombináciu viacerých ochranných komponentov na vytvorenie vrstveného ochranného reťazca, ktorý zvyšuje celkovú spoľahlivosť systému.

Budúce trendy: inteligentné a integrované riešenia

S rýchlym rozvojom Priemyslu 4.0 a automobilovej elektroniky sa technológia ochrany obvodov neustále vyvíja. Na jednej strane sa objavili inteligentné ochranné komponenty, ktoré integrujú diagnostické funkcie na monitorovanie stavu obvodu v reálnom čase a poskytovanie spätnej väzby. Na druhej strane získavajú na popularite vysoko integrované riešenia ochrany. Jednočipové riešenia, ktoré integrujú viacero ochranných funkcií, znižujú zložitosť návrhu obvodov a šetria miesto na PCB. Okrem toho sa trendom stáva udržateľný dizajn so zameraním na zvýšenie odolnosti a energetickej účinnosti ochranných komponentov s cieľom znížiť frekvenciu výmeny a podporiť ekologický elektronický dizajn.

Záver

Technológia ochrany obvodov je základným kameňom zabezpečenia stabilnej prevádzky priemyselných a automobilových systémov. Starostlivým výberom vhodných ochranných komponentov a navrhnutím účinných ochranných obvodov je možné výrazne zlepšiť bezpečnosť a spoľahlivosť systémov. Keďže aplikačné prostredia sú čoraz zložitejšie, budúca technológia ochrany obvodov sa bude naďalej vyvíjať smerom k väčšej inteligencii a integrácii, čo poskytne silnú podporu pre širšiu škálu oblastí použitia.