A causa della relativa imprevedibilità della tecnologia odierna, la protezione dei circuiti è un'assoluta necessità nei progetti che mirano all'affidabilità. Questo articolo esamina la protezione dei circuiti nel suo insieme e spiega come è possibile mitigare diversi tipi di danni.
Protezione dei circuiti: fondamentale per dispositivi e componenti
Quando progettiamo circuiti, spesso ci piace pensare che il mondo ci fornisca un ambiente ideale, in cui le fonti di alimentazione sono prive di rumore, i condensatori non hanno resistenza e i livelli logici aumentano e diminuiscono istantaneamente. Il mondo reale, invece, è tutt'altro che ideale. Le fonti di alimentazione possono essere molto rumorose (soprattutto i convertitori CC/CC), i condensatori hanno spesso una resistenza di serie equivalente e i livelli logici, in genere, presentano moltissimi problemi di temporizzazione.
Anche se consideriamo queste influenze del mondo reale su componenti e dispositivi, c'è un elemento che molti progettisti di solito dimenticano di considerare: la protezione dei circuiti. Un circuito realizzato su una breadboard o un PCB prototipo può funzionare bene in condizioni di laboratorio, ma il mondo reale non offre necessariamente quelle condizioni ideali e chiunque abbia avuto a che fare con componenti sensibili all'elettricità statica sa esattamente cosa può succedere. I picchi di tensione causati da sovratensioni possono danneggiare i regolatori, mentre le scariche statiche trasmesse dagli utenti possono provocare guasti a un microcontroller senza alcun preavviso. Dato che i progettisti non sono mai completamente sicuri di ciò che potrebbe succedere al loro circuito, è buona norma proteggere questi dispositivi dal maggior numero possibile di fonti di danno.
Tipiche fonti di danni ai circuiti
Sebbene ci siano molte fonti di potenziali danni, le principali includono scariche elettrostatiche, flyback dell'induttore e picchi dell'alimentazione di rete.
Le scariche elettrostatiche sono scariche statiche. Si tratta di gran lunga di uno dei problemi che provocano più danni ai dispositivi basati su CMOS. Le scariche statiche possono provenire da varie fonti diverse, ma una delle più comuni sono gli esseri umani. Gli esseri umani hanno l'abitudine di coprire i loro corpi con un qualche tessuto e di posizionare della gomma sotto la pianta dei piedi. Il risultato è che, mentre si muovono, il tessuto e la gomma possono sfregare contro la pelle e altre superfici e questo, a sua volta, crea cariche statiche. Quando una persona caricata staticamente tocca un circuito elettronico, c'è un rischio considerevole che la carica possa essere trasferita dalla persona al circuito, sottoponendo quest'ultimo a molte migliaia di volt. Sebbene la quantità di energia trasferita al circuito sia molto limitata, la tensione elevata può facilmente causare un guasto dielettrico della tecnologia basata su MOS (come transistor, regolatori, microcontroller, ecc.). Altre tecnologie, basate su barriere e giunzioni (come BJT e FET), vengono danneggiate meno dalle scosse statiche, ma c'è comunque il rischio che possano riportare dei danni.
Il flyback dell'induttore è un fenomeno che si verifica quando una corrente che attraversa un elemento induttivo (come una bobina o un dispositivo di blocco) viene cambiata improvvisamente. Quando ciò accade, l'energia immagazzinata nel campo magnetico deve essere rilasciata. Il collasso del campo magnetico provoca l'induzione di una tensione (ma della polarità opposta alla sorgente di tensione dell'induttore). Questa tensione indotta è chiamata "forza controelettromotrice" ed è molto pericolosa per i circuiti sensibili come quelli basati sul silicio. La forza controelettromotrice, anche di piccoli induttori, può essere di molte centinaia di volt. Le fonti comuni di forza controelettromotrice includono dispositivi di blocco, motori e trasformatori.
Le sovratensioni di rete (o griglia di alimentazione) vengono originate da diverse fonti, inclusi guasti alle centrali elettriche, guasti alle sottostazioni e fulmini. Un picco di rete si verifica quando un picco di tensione elevata viene immesso nella rete elettrica. Questo picco improvviso può provocare delle conseguenze su quasi tutti i dispositivi collegati alla rete. Un classico esempio di picchi di tensione che colpiscono la rete elettrica sono le interruzioni di corrente durante un temporale. Un fulmine può colpire un traliccio, provocando una sovratensione in tutta la rete. Le sottostazioni possono essere danneggiate dalla sovratensione, quindi l'alimentazione che stanno fornendo viene interrotta, oppure possono rilevare la sovratensione e interrompere intenzionalmente l'alimentazione per evitare danni ai consumatori allacciati alla linea. Le sovratensioni possono anche derivare dalla riconnessione dell'alimentazione, quando un'area priva di alimentazione viene improvvisamente ricollegata alla rete elettrica.
Metodi di protezione dei circuiti
Possiamo dunque vedere che esistono molte diverse potenziali fonti di danno, ma come possiamo proteggere i circuiti da tali danni?
Diodi Zener/resistori di limitazione in serie
I diodi Zener sono uno dei dispositivi di protezione dei circuiti più comunemente utilizzati, grazie alla loro capacità di limitare la tensione. Se usati in modalità di polarizzazione diretta, limiteranno le tensioni a circa 0,6 V come qualsiasi altro diodo al silicio. Tuttavia, a differenza dei diodi al silicio, se utilizzati in modalità di polarizzazione inversa, bloccheranno una tensione di un valore specifico.
Ad esempio, un diodo Zener 5V1 limiterà le tensioni in modalità di polarizzazione inversa fino a 5,1 V, in modo tale che se la tensione sul diodo supera i 5,1 V, la tensione non può aumentare. Questi diodi sono spesso usati insieme a un resistore di limitazione in serie in modo che la corrente che attraversa lo Zener non possa superare il suo limite. Il resistore di limitazione in serie è anche in grado di proteggere il circuito dai picchi di corrente. Va notato, tuttavia, che i resistori di limitazione in serie possono influenzare le prestazioni di velocità di un circuito e sono più adatti agli ingressi ad alta impedenza.
Dispositivo di arresto: induttore
Un dispositivo di blocco è una coppia speciale di induttori in grado di resistere a improvvisi cambiamenti di corrente. Ad esempio, un picco di tensione dalla rete elettrica potrebbe farsi strada nell'ingresso di alimentazione di un circuito sensibile. Se un dispositivo di blocco viene posto in serie con l'ingresso di alimentazione, il picco di tensione (che causerà anche un picco di corrente, I, proporzionale alla tensione, V) viene ridotto e il resto del circuito è meno esposto al picco.
Condensatori di disaccoppiamento
I picchi di tensione e corrente non sono gli unici pericoli che un circuito potrebbe dover affrontare. Un'altra fonte di potenziali danni è rappresentata dai cali di tensione, cioè dei guasti improvvisi dell'alimentazione che possono durare diverse centinaia di millisecondi. Sebbene questo non sia un problema particolarmente deleterio per dispositivi semplici come ventole e luci, può essere molto dannoso per i dispositivi che si basano sulla logica digitale, come computer, laptop e sistemi di sicurezza.
Mentre i cali di tensione prolungati che durano più di mezzo secondo sono molto difficili da contrastare (spesso richiedono un sistema di alimentazione di riserva), i cali di tensione brevi, che possono essere causati dall'accensione di dispositivi (come un modulo radio), possono essere risolti con l'uso di condensatori di disaccoppiamento. Un condensatore di disaccoppiamento non è altro che un condensatore di valore elevato che rimane carico durante il normale funzionamento, ma può pompare la propria energia in un circuito durante i cali di tensione per mantenere la tensione di alimentazione. Tali condensatori sono spesso posizionati prima dei circuiti di gestione della potenza come i regolatori lineari per i microcontroller. Ciò garantisce che la tensione che arriva al microcontroller possa essere mantenuta correttamente (si ricordi che molti regolatori sono in grado di ricevere un ampia gamma di tensioni d'ingresso, ma molti microcontroller non sono in grado di gestire scarti di tensione elevati). Altri usi per i condensatori di disaccoppiamento includono la protezione dei circuiti dal rumore introdotto nell'alimentatore da altri dispositivi di commutazione, compresi convertitori CC/CC, processori, sensori, moduli radio e circuiti digitali ad alta velocità. Una buona regola pratica in questi casi è assegnare a ciascun pin di alimentazione su un microcontroller il proprio condensatore di disaccoppiamento dedicato sull'alimentatore del microcontroller.
Fusibili
Molte tecniche di protezione dei circuiti si occupano spesso di cause esterne, ma a volte i circuiti devono essere protetti da se stessi. Un classico esempio, in questi casi, è la protezione da cortocircuito tramite un fusibile. Sebbene non tutti i circuiti risentano di questo problema, alcuni progetti possono integrare circuiti che hanno il potenziale per assorbire grandi quantità di corrente durante condizioni di guasto.
Ad esempio, un amplificatore push-pull può essere collegato a dispositivi esterni, ma può anche fare affidamento su un dispositivo con una quantità minima di impedenza. In questa situazione, l'amplificatore push-pull è vulnerabile ai cortocircuiti. E mentre l'amplificatore potrebbe essere in grado di gestire la corrente, altri componenti del circuito potrebbero non esserlo. In questo scenario i fusibili possono essere collegati in serie con alimentatori, ingressi e uscite per garantire che il circuito non sia in grado di assorbire quantità pericolose di corrente. Esistono svariate tipologie di fusibili: i fusibili a filo sono utili con i dispositivi alimentati dalla rete, mentre i piccoli fusibili resettabili sono più adatti ai circuiti digitali come Arduino.
Diodi di protezione
I diodi di protezione sono fondamentali nei progetti in cui può verificarsi un flyback dell'induttore da componenti come bobine e motori. Sebbene i motori e le bobine stessi non siano a rischio di danni, il problema sorge quando questi componenti immettono la propria forza controelettromotrice in un sistema che contiene circuiti sensibili come microcontroller, transistor e sensori. Eliminare la forza controelettromotrice è molto semplice: è sufficiente un singolo diodo posizionato in parallelo con il dispositivo che potrebbe produrre tale forza. È importante notare che questo metodo funziona solo con le configurazioni CC, poiché il diodo è posizionato in parallelo all'elemento induttivo, ma in polarizzazione inversa rispetto alla sorgente di tensione degli elementi induttivi. Quando l'alimentazione dell'elemento induttivo viene disattivata, la forza controelettromotrice passa attraverso il diodo e viene allontanata dagli altri componenti del circuito.
Prodotti per la protezione dei circuiti
Sebbene per la protezione dei circuiti si possano utilizzare dei componenti discreti, sul mercato sono disponibili anche componenti specifici che integrano circuiti dedicati proprio per questo compito. Esaminiamo alcuni esempi di componenti che è possibile utilizzare per la protezione dei circuiti.
Pacchetti di matrici di diodi
I pacchetti di matrici di diodi integrano più diodi in un unico pacchetto che può essere utilizzato per svariati scopi. Uno degli usi più diffusi è la protezione dei pin dei connettori USB (ad esempio, D+ e D-) dalle scariche elettrostatiche esterne. Esempi di pacchetti di matrici di diodi includono la soluzione NZQA5V6AXV5 di ON Semiconductor, che integra quattro diodi Zener con un collegamento comune, e TPD3E001 di Texas Instruments, che integra sette diodi ed è specificamente pensato per la protezione di porte USB e per fornire canali a bassa capacità.
Diodi di soppressione di tensioni transitorie
Questi tipi di diodi sono specificamente progettati per sbalzi di tensione significativi e sono adatti per proteggere i collegamenti dei singoli circuiti e come protezione dalla forza controelettromotrice. Un esempio di diodo soppressore è il dispositivo SMAJ33A-13-F di Diode Incorporated, che è in grado di dissipare 400 W di potenza di picco, vanta un tempo di risposta rapido e può condurre fino a 40 A di corrente di picco. Un altro esempio di diodo di soppressione è la soluzione 5KP100A-E3/54 di Vishay, che è in grado di dissipare la potenza di un impulso di picco fino a 5.000 W, proteggendo così un circuito abbastanza a lungo da permettere al fusibile/interruttore principale di scollegare l'alimentazione.
Fusibili resettabili
I fusibili resettabili sono componenti in grado di prevenire danni ai circuiti in condizioni di cortocircuito. Tuttavia, a differenza dei fusibili tradizionali che, una volta bruciati, necessitano di sostituzione, i fusibili resettabili non devono essere sostituiti. Questi dispositivi sono in genere del tipo PTC, un acronimo che sta per "coefficiente di temperatura positivo". I fusibili resettabili si basano sull'aumento della loro temperatura all'aumentare della corrente che li attraversa. L'aumento della temperatura aumenta la resistenza in un effetto a cascata e la resistenza, a sua volta, riduce il flusso di corrente.
Un esempio di fusibile PTC commerciale è il dispositivo RF4573-000 di Littelfuse. Questo fusibile SMD di grado automotive è disponibile in una vasta gamma di valori nominali di tensione e corrente. Un altro esempio di fusibile PTC è la soluzione 0ZRE0075FF1A di Bel. Si tratta di un dispositivo per foro passante spesso rivolto a dispositivi più potenti come gli alimentatori.
Conclusione
Sebbene esistano diversi meccanismi di danno elettrico che potrebbero determinare delle conseguenze su un circuito, l'integrazione di componenti e soluzioni corretti per la protezione dei circuiti potrà contribuire a migliorarne l'affidabilità, migliorando così le prestazioni complessive dell'elettronica e dei dispositivi che si stanno progettando.
