Nei moderni sistemi elettronici industriali e automobilistici, la tecnologia di protezione dei circuiti svolge un ruolo cruciale. Con il continuo aumento dell'integrazione e della complessità dei dispositivi, problemi come la sovracorrente, la sovratensione, le scariche elettrostatiche (ESD) e le interferenze elettromagnetiche (EMI) sono diventati più importanti. La corretta selezione dei componenti di protezione dei circuiti può prolungare efficacemente la durata dei dispositivi e garantire la stabilità e l'affidabilità del sistema.

Che cos'è la protezione dei circuiti?

La protezione dei circuiti si riferisce alle misure adottate per proteggere i dispositivi elettronici o i sistemi di alimentazione da danni irreversibili causati da tensioni anomale, sovracorrente, cortocircuiti, sovratensioni, ecc. In parole povere, la protezione dei circuiti funge da "protezione di sicurezza" dei dispositivi elettronici. Attraverso vari componenti o soluzioni, guida e assorbe le anomalie del circuito per prevenire danni ai componenti critici. I componenti comuni per la protezione dei circuiti includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo:

Varistore a ossido di metallo (MOV)

Assorbe le sovratensioni per evitare che i componenti sensibili vengano danneggiati.

Diodo di soppressione della tensione transitoria (TVS)

Risponde rapidamente ai picchi di tensione, proteggendo il circuito dalle sovratensioni transitorie.

Tubo di scarico del gas (GDT)

Noto per la sua elevata tolleranza alle sovratensioni, comunemente utilizzato nei dispositivi di comunicazione e nella protezione dell'alimentazione industriale.

Fusibile a coefficiente di temperatura positivo (PPTC) del polimero

Interrompe il circuito in caso di sovracorrente e si ripristina automaticamente dopo che il guasto è stato eliminato.

Requisiti speciali per applicazioni industriali e automobilistiche

Negli ambienti industriali, le apparecchiature devono resistere a condizioni difficili come alte temperature, umidità, polvere e vibrazioni. Pertanto, i componenti di protezione devono avere caratteristiche come la resistenza alle alte temperature, la tolleranza alle alte tensioni e la lunga durata. Nelle applicazioni automobilistiche, i componenti elettronici devono soddisfare gli standard AEC-Q e devono essere resistenti a urti, vibrazioni e ampi intervalli di temperatura (in genere da -40°C a 125°C).

Componenti di protezione dei circuiti comuni e loro applicazioni

Di seguito sono riportati alcuni componenti comuni per la protezione dei circuiti:

Varistore a ossido di metallo (MOV)

I MOV sono comunemente usati per la protezione da sovratensione nei circuiti elettronici. Quando si verifica una sovratensione, il MOV limita la tensione a un livello specifico attraverso le sue caratteristiche non lineari, prevenendo danni ad altri componenti. I MOV sono particolarmente utilizzati nei circuiti CA.

Figura 3-1: Varistore a ossido di metallo, 385 V

Tubo di scarico in vetro

Il tubo a scarica in vetro combina i vantaggi dei tubi a scarica di gas in ceramica soddisfacendo al contempo i requisiti di tensione di rottura CC più elevati. È dotato di una bassa tensione di conduzione e di un'elevata corrente di scarica, che lo rendono adatto per ambienti di protezione contro i fulmini difficili. È ampiamente utilizzato nelle apparecchiature automobilistiche e di comunicazione.

Diodi di soppressione della tensione transitoria (diodi TVS)

I diodi TVS svolgono un ruolo fondamentale nella protezione dei circuiti, in particolare nella protezione dei componenti sensibili. La loro velocità di risposta è estremamente elevata (nell'ordine dei picosecondi), consentendo loro di interrompere rapidamente le sovratensioni. Di conseguenza, vengono spesso utilizzati per la protezione delle porte I/O in applicazioni critiche di trasmissione dati.

Tubo di scarico del gas in ceramica

I tubi ceramici a scarica di gas sono uno dei tipi più comunemente usati di dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Svolgono un ruolo significativo nell'alimentazione CC e nella protezione contro le sovratensioni del segnale. La loro struttura presenta una grande capacità di trasporto di corrente, una piccola capacità tra gli stadi e un'elevata resistenza di isolamento, che può proteggere rapidamente il circuito da danni in caso di fulmini o altre sovratensioni.

Figura 3-4: Tubo di scarico del gas in ceramica

Fusibile a coefficiente di temperatura positivo (PPTC) in polimero

I fusibili PPTC utilizzano materiali polimerici che aumentano rapidamente la resistenza quando si verifica una sovracorrente, proteggendo così il circuito. Una volta eliminata la sovracorrente, il fusibile ritorna allo stato iniziale di bassa resistenza, evitando la necessità di frequenti sostituzioni del fusibile.

Considerazioni di progettazione per la protezione dei circuiti nelle applicazioni pratiche

Scegli il giusto tipo di componente:

Scegliete i componenti con velocità di risposta e capacità di gestione dell'energia adeguate in base a specifici scenari applicativi ed esigenze di protezione.

Considera i fattori ambientali:

Negli ambienti industriali e automobilistici, considerare l'impatto di condizioni esterne come temperatura, umidità e urti meccanici sulle prestazioni dei componenti.

Soddisfa gli standard del settore:

I componenti automobilistici devono essere conformi agli standard AEC-Q100 o AEC-Q200, mentre i componenti industriali devono essere sottoposti a certificazioni di alta affidabilità pertinenti.

Design della catena di protezione:

Utilizza una combinazione di più componenti di protezione per formare una catena di protezione a più livelli, migliorando l'affidabilità complessiva del sistema.

Tendenze future: soluzioni intelligenti e integrate

Con il rapido sviluppo dell'Industria 4.0 e dell'elettronica automobilistica, la tecnologia di protezione dei circuiti continua ad evolversi. Da un lato, sono emersi componenti di protezione intelligenti, che integrano funzioni diagnostiche per monitorare lo stato del circuito in tempo reale e fornire feedback. D'altra parte, le soluzioni di protezione altamente integrate stanno guadagnando terreno. Le soluzioni a chip singolo che integrano più funzioni di protezione riducono la complessità della progettazione dei circuiti e consentono di risparmiare spazio sul circuito stampato. Inoltre, la progettazione sostenibile sta diventando una tendenza, con particolare attenzione al miglioramento della durata e dell'efficienza energetica dei componenti di protezione per ridurre la frequenza di sostituzione e supportare la progettazione elettronica ecologica.

Conclusione

La tecnologia di protezione dei circuiti è la pietra angolare per garantire il funzionamento stabile dei sistemi industriali e automobilistici. Selezionando attentamente i componenti di protezione appropriati e progettando circuiti di protezione efficaci, la sicurezza e l'affidabilità dei sistemi possono essere notevolmente migliorate. Poiché gli ambienti applicativi diventano sempre più complessi, la futura tecnologia di protezione dei circuiti continuerà a svilupparsi verso una maggiore intelligenza e integrazione, fornendo un forte supporto per una gamma più ampia di campi di applicazione.