Robuster Überspannungsschutz in High-Density-Elektronik

Was ist ein Überspannungsschutz? | ALLNET (November 2018).

Anonim

In der Regel ist ein mehrstufiger / multitechnischer Schutzansatz erforderlich

Kleinere und höherdichte Elektronik ist ein anhaltender Trend. Diese zunehmend integrierten und komplexen Designs sind jedoch jetzt viel sensibler und anfällig für Schäden und Ausfallzeiten durch vorübergehende Bedrohungen wie Blitzschlag und andere Hochspannungsstöße. Aufgrund der Vielfältigkeit der Entwürfe für Telekommunikations-, Industrie- und medizinische Geräte ist eine Überspannungsschutzlösung mit nur einem Gerät selten möglich. Ein mehrstufiger / multitechnischer Schutzansatz ist erforderlich, um die Stärken und Schwächen jeder Technologie zu nutzen.

Vergleichen des Überspannungsschutzes

Überspannungsvorrichtungen leiten schnelle Stoßenergie wie Blitz ab, während die meisten Überstromvorrichtungen ihren Widerstand erhöhen, um den Stoßstrom zu begrenzen, der von Stoßströmen längerer Dauer fließt. Es gibt zwei Arten von spannungsbegrenzenden Schutzvorrichtungen: Schaltvorrichtungen wie GDTs, die die Leitung spannen, und Klemmvorrichtungen wie MOV und TVS (siehe Tabelle). GDTs haben aufgrund ihrer extrem niedrigen Kapazität und geringen Leckageeigenschaften, zusammen mit ihren hohen Stoßstrom-Handhabungsfähigkeiten, an Popularität gewonnen.

TechnologieÜberspannungstypProsNachteile
Gasentladungsröhre (GDT)

Brecheisen

Hohe Stoßstrombehandlung

Sehr geringe Leckage

Sehr niedrig

Langsamere Reaktionszeit (μs)

Größe-Verpackung

Schlechte Fähigkeit, auf niedrige Spannungspegel zu schützen

Metalloxid-Varistor

Klemme

Hohe Stoßstrombehandlung

Schnelle Reaktionszeit (ns)

Höheres Leck im Laufe der Zeit

Hohe Kapazität

Größe und Verpackung von Hochstromgeräten

Transient Voltage Suppressor (TVS)

Klemme

Hohe Überspannungsbehandlung

Schnelle Reaktionszeit (ns)

Mittlere Stoßstrombehandlung

Kann auf niedrige Werte schützen

Höhere Kapazität

Aktuelle Handhabung mit größerer Größe möglich

In der Regel in einem Schaltkreis zur Begrenzung der Spannung und zur Ableitung von Stoßstrom zur Erde (Gleichtakt) oder zu einer Quelle (Differentialmodus) platziert, hat ein GDT sehr hohe Impedanz (> 1 GΩ), so dass es für den Stromkreis während des Normalbetriebs praktisch unsichtbar ist Betrieb. Wenn eine Spannungsstörung den Überschlagswert des GDT überschreitet, schaltet er in einen virtuellen Kurzschluss um, der als Lichtbogenmodus bezeichnet wird, um den Stoßstrom abzuleiten und das Gerät zu schützen. GDTs haben typischerweise eine ziemlich langsame Reaktionszeit aufgrund der Zeit, die benötigt wird, um Gas innerhalb der GDT zu ionisieren. Herkömmliche GDT-Bauelemente bieten einen robusten Überspannungsschutz, allerdings auf Kosten von wertvollem Leiterplattenplatz.

Wirksamer Schutz durch eine dreistufige Lösung

Designer können eine fortschrittliche dreistufige Schutzlösung für Designs mit hoher Dichte verwenden. Dies verwendet TVS-Dioden für den Sekundärschutz, Hochgeschwindigkeitsschutzvorrichtungen (HSP) für die Koordination und GDTs für den Primärschutz und ist optimal für Anwendungen in exponierten Übergangsumgebungen. Es bietet eine koordinierte Antwort, um ein hohes Maß an Schutz für verschiedene Telekommunikations- oder industrielle Schnittstellen zu bieten, die die Handhabbarkeit einer einstufigen Komponentenlösung bei weitem übersteigt.

Eine TVS-Diode allein ist wirksam für Transienten mit niedrigem Pegel. Es wird transiente Signale bis zu seinem Spitzenimpulsstrom aufladen, aber darüber hinaus nicht. Wenn die einfallende Übergangsspannung, der die TVS-Diode ausgesetzt ist, ansteigt, steigt auch die Sorge, dass die Strombegrenzung überschritten wird. Die Verwendung des Serienwiderstands zum Schutz des TVS kann zu einem übermäßigen Spannungsabfall führen und im Falle von Kommunikationen den Schleifenabstand erheblich verringern.

Bild 1: Die Maximierung des Hochspannungstransientenschutzes erfordert ein dreistufiges Design.

HSPs sind mit MOSFET-Halbleitertechnologie aufgebaut. Wenn der HSP zwischen GDT und TVS in Reihe geschaltet wird, überwacht er den Strom, der durch die Leitung fließt. Wenn der Strom einen voreingestellten Wert überschreitet, löst das Gerät aus und bildet eine Barriere für hohe Spannungen und Ströme. Triggerströme von 150 bis 500 mA stehen zur Verfügung und die Spitzenstoßspannungsfestigkeit beträgt 650 bis 850 V. HSP-Geräte von Bourns werden als TBU-DT-Serie bezeichnet. Sie sind ein rücksetzbares Gerät, das in etwa 1 μs arbeitet. Der normale Serienwiderstand beträgt 5 bis 10 Ω. Im Betrieb begrenzt das Gerät den Netzstrom typischerweise auf weniger als 1 mA.

Wenn sie einem schnell ansteigenden Übergangsereignis ausgesetzt wird, fängt die schnellere TVS-Diode an, zuerst zu klemmen und Strom durch den HSP zu leiten. Sobald der Stromschwellenwert des HSP überschritten wird, schützt er die TVS-Diode und die nachgeschalteten Komponenten. Es erlaubt auch dem GDT, den Großteil des durch das Surge-Ereignis erzeugten Stroms auszulösen und zu übernehmen. Das Ergebnis ist ein extrem schneller Schutz, der die Mängel einzelner Schutztechnologien beseitigt.

Konstruktionsingenieure können diese Lösung nutzen, um die Überspannungsschutz- und Überspannungsschutzpegel zu erhöhen - der HSP begrenzt die Durchlassenergie, die TVS-Diode hält das Signal innerhalb der maximalen Grenzwerte und ein primäres GDT schützt das HSP-Gerät vor übermäßiger Überspannung.

Abb. 2: Die Bourns FLAT Low-Profile-GTD-Geräte.

Robuster Schutz für platzbeschränkte Designs

Wenn die Ausrüstung schrumpft, schrumpft der Platzbedarf auf der Leiterplatte. GDTs kommen normalerweise in zylindrischen Verpackungen mit einem Durchmesser von 8 mm. Kürzlich wurde ein neues Design für primären GDT-Schutz mit einem flachen Plattenpaket verfügbar. Die Bourns FLAT GDTs bieten im Vergleich zu Standard-8-mm-Geräten eine Volumenreduzierung von 75% und sind in horizontaler oder vertikaler Montage erhältlich (Abb. 2). Die 2-Elektroden-Geräte sind in fünf Versionen mit 90 bis 420 V DC-Überschlag erhältlich und sind für 10.000 Arme für 8/20 μs für mehr als zehn Operationen ausgelegt.

By: JOHAN SCLIEMANN-JENSEN, Produktentwicklungsingenieur, Bourns, www.bourns.com