Come selezionare e applicare gli IsoMOV per la massima soppressione di sovratensioni con uno spazio minimo

Con la proliferazione dei dispositivi elettronici e l'evoluzione delle normative che regolano la sicurezza degli utenti, i progettisti sono alla ricerca di opzioni per migliorare la protezione dei dispositivi, riducendo al minimo i costi e lo spazio su scheda. Il problema è che la protezione dei circuiti è un po' come un'assicurazione: può sembrare una spesa inutile finché non è necessaria. Questa protezione è necessaria contro una varietà di aberrazioni e guasti interni ed esterni, tra cui cortocircuiti, condizioni di sovracorrente e sovratensione. Questi eventi possono disattivare temporaneamente o permanentemente un sistema, danneggiare il sistema, i suoi componenti interni o il carico e persino provocare lesioni all'utente.

Nessuna soluzione di protezione unica funziona per tutti i guasti e le situazioni. Ad esempio, quando si tratta di implementare la protezione da sovratensione (OVP), i crowbar come i tubi a scarica di gas (GDT) sono generalmente migliori per i guasti a lungo termine, mentre i morsetti come un varistore metallo-ossido (MOV) sono più adatti per gli eventi transitori. Tuttavia, i GDT sono soggetti alla corrente di mantenimento e i MOV possono guastarsi permanentemente e raggiungere temperature pericolosamente alte a causa della fuga termica. L'utilizzo dei due componenti in serie in un approccio ibrido compensa qualsiasi problema potenziale, ma complica il layout della scheda e aumenta i costi. È necessario fare altri progressi per eliminare questo compromesso.

Questo articolo descrive l'importanza della protezione OVP e i vari approcci per ottenerla. Presenta poi la tecnologia IsoMOV, che combina i vantaggi dei GDT e dei MOV in un unico dispositivo con una maggiore durata e nessuna corrente di mantenimento. Verranno quindi presentati dei dispositivi di esempio di Bourns Inc., con le loro caratteristiche salienti e spiegherà come selezionarli e usarli per una protezione efficace, efficiente e a basso costo.

La protezione ha molti punti di vista

Non c'è una soluzione unica per la protezione dei circuiti e dei sistemi. Questo per due motivi: primo, esistono molti tipi di guasti ed eventi che richiedono un certo tipo di protezione; secondo, l'entità e la durata della condizione di guasto determina il tipo e la robustezza della protezione necessaria.

Tra le molte situazioni generali di guasto si annoverano:

• Sovracorrente, quando il carico assorbe troppa corrente a causa di un guasto esterno, un cortocircuito o un guasto interno al componente (incluso il cedimento dell'isolamento)
• Sovratensione, dove una parte del sistema è sollecitata da una tensione eccessiva a causa di un collegamento errato
• Termico, dove un componente si surriscalda a causa di un errore di progettazione, una gestione termica inadeguata o l'eccessivo calore ambientale
• Guasto di un componente, dove un componente interno si guasta e porta a una situazione di sovracorrente/sovratensione che danneggia altri componenti o il carico

I guasti hanno spesso conseguenze che vanno al di là del semplice danneggiamento di un sistema, in quanto possono comportare un rischio di scossa elettrica per gli utenti.

Crowbar e morsetti per la protezione dai picchi transitori

Tra le condizioni di guasto più impegnative sui circuiti c.a. e c.c. primeggia il picco di sovratensione, chiamato evento di sovratensione temporanea (TOV). Questo breve impulso o picco è spesso dovuto alla caduta nelle vicinanze di un fulmine o a una commutazione elettrica che inietta transitori dannosi nelle apparecchiature elettriche e nei loro componenti elettronici sensibili.

Sono utilizzate due grandi classi di limitatori di sovratensione (SPD) per far fronte agli eventi di sovratensione e TOV: il crowbar e il morsetto. (Si noti che questi termini sono a volte usati in modo intercambiabile nella lingua parlata, ma non sono la stessa cosa)

In breve, un crowbar diventa un cortocircuito attraverso la linea protetta, deviando così la sovratensione e la sua corrente verso terra, impedendole di raggiungere i circuiti (Figura 1). Il crowbar si attiva e passa a questa modalità a bassa impedenza quando si verifica la situazione di sovratensione.

Nota interessante: il termine, usato in inglese nel settore, si traduce letteralmente "piede di porco" in italiano, e deriva presumibilmente dall'azione degli operai industriali agli albori dell'elettricità, che lanciavano un vero e proprio piede di porco metallico attraverso le sbarre omnibus di alimentazione e di terra quando si verificava una sovratensione.

Figura 1: Quando la funzione di protezione del crowbar si attiva, diventa un percorso a bassa impedenza tra la linea che sta proteggendo e la terra, deviando così la sovratensione a terra. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Il crowbar rimane in una modalità a bassa impedenza fino a quando la corrente non scende al di sotto della "corrente di mantenimento", a quel punto torna allo stato di funzionamento normale ad alta impedenza. Deve poter gestire la corrente che lo attraversa per il tempo in cui l'alimentazione è in uno stato di sovratensione.

Al contrario, un morsetto impedisce che la tensione superi un livello prestabilito (Figura 2). Quando la tensione transitoria raggiunge il limite definito per il dispositivo di tenuta all'impulso, il morsetto bloccherà la tensione fino all'estinzione del guasto, a quel punto la linea tornerà al modo di funzionamento normale. È importante che la tensione nominale di tenuta all'impulso sia superiore alla tensione di funzionamento normale.

Figura 2: A differenza del crowbar, il morsetto limita il picco di sovratensione a un valore prestabilito. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Un morsetto conduce la corrente quanto basta per mantenere la tensione che lo attraversa a un valore sicuro e desiderato mentre il transitorio è al di sopra della tensione di conduzione del morsetto. Questa corrente, anche se minima, può portare ad alcuni problemi di sicurezza che devono essere affrontati e che possono richiedere una protezione aggiuntiva (un aspetto discusso più avanti). Deve essere classificata per la potenza che dovrà dissipare per un tempo specifico, che di solito è un evento transitorio relativamente breve.

Implementazione delle funzioni OVP

Poiché i crowbar e i morsetti sono dispositivi di protezione critici, è essenziale che siano semplici, affidabili e che abbiano attributi prestazionali ben noti e costanti. In questo senso, sono come il fusibile ad attivazione termica, il classico componente di protezione da sovracorrente spesso utilizzato come livello di protezione aggiuntivo.

Il dispositivo crowbar: il dispositivo crowbar più comune è il GDT, uno spinterometro realizzato e dimensionato con precisione in un alloggiamento ermetico riempito con un gas inerte. Nel funzionamento normale, prima di un evento TOV, sembra una resistenza quasi infinita (Figura 3). Tuttavia, quando si verifica il picco di sovratensione che supera la tensione di progetto GDT, il gas si ionizza e il tubo "lampeggia" come uno spinterogeno e passa da un'alta impedenza a un'impedenza molto bassa. Questo cambiamento metterà temporaneamente in cortocircuito la linea finché il guasto non si estingue.

Figura 3: Il GDT è un sofisticato dispositivo spinterometrico che conduce solo quando la tensione attraverso i suoi terminali supera il valore di progetto; diversamente, sembra un circuito aperto quasi perfetto. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Il GDT è comunemente usato nei circuiti c.c., nei circuiti di telecomunicazione e nei circuiti di segnale, che hanno generalmente una corrente abbastanza bassa di un ampere al massimo. Si noti che, contrariamente ai GDT fantastici che si vedono nei film, il GDT per le sovratensioni di basso livello è un piccolo componente incassato e montabile su scheda e la scintilla di scarica disruptiva non è visibile. I GDT più piccoli sono offerti da 75 a 600 V, quelli più grandi sono offerti fino a migliaia di volt. Un problema con i GDT è la loro corrente di seguito (detta anche corrente di mantenimento), che è la corrente che continua a scorrere anche dopo aver estinto il guasto.

Il dispositivo di tenuta all'impulso: due delle opzioni più comuni per la tenuta all'impulso sono il diodo soppressore di tensioni transitorie (PTVS) e il varistore metallo-ossido (MOV), entrambi tipicamente utilizzati per la protezione ad alta corrente nei circuiti c.a. e c.c., motori, linee di comunicazione e circuiti di rilevamento (Figura 4). I MOV sono disponibili con valori di tensione da decine a più di mille volt.

Figura 4: Il varistore metallo-ossido (e il soppressore di tensioni transitorie di potenza) forniscono una tensione di tenuta all'impulso che copre un'ampia gamma di situazioni progettuali. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

I MOV conducono tipicamente una piccola quantità di corrente di dispersione, anche con tensioni applicate che sono ben al di sotto della loro tensione di soglia nominale. Se un MOV è soggetto a sovratensioni transitorie oltre il suo valore nominale, possono verificarsi danni permanenti che fanno aumentare la corrente di dispersione. Anche se questa corrente è solitamente di pochi milliampere, può presentare un rischio di scossa elettrica in alcune circostanze.

Inoltre, si verificherà autoriscaldamento all'interno del MOV se questa corrente di dispersione diventa sufficientemente alta. Quando un MOV è collegato continuamente sulla rete elettrica in c.a., questo autoriscaldamento può creare una retroazione positiva dove una maggiore corrente di dispersione porta a un autoriscaldamento maggiore, che a sua volta porta a una corrente di dispersione ancora maggiore. Le sovracorrenti transitorie successive possono accelerare ulteriormente questo ciclo.

Ad un certo punto, il MOV entrerà in una modalità di fuga termica che genera un calore notevole e distrugge il MOV. In alcune situazioni, il calore prodotto dal MOV può diventare una potenziale fonte di accensione (PIS) e incendiare i materiali vicini. Questo effetto deve essere tenuto presente e affrontato per la sicurezza di base e la conformità alle norme di sicurezza.

Una soluzione OVP migliore

Per fornire una soluzione OVP che non abbia pressoché alcuna corrente di dispersione e quindi una vita operativa più lunga, i progettisti spesso utilizzano una disposizione a due componenti. Questo approccio ibrido combina due dispositivi discreti: un GDT e un MOV collegati in serie (Figura 5), con una curva combinata tensione-tempo (Figura 6).

Figura 5: L'approccio ibrido che collega un GDT e un MOV in serie si propone come una soluzione OVP più efficace. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Figura 6: La risposta in funzione del tempo della disposizione ibrida GDT + MOV mostra come questa combina gli attributi di risposta di base di ciascun dispositivo. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Questo è un modo efficace per far sì che ogni dispositivo compensi le possibili mancanze dell'altro. Tuttavia, a questo approccio sono associati dei costi:

• Richiede più spazio sul circuito stampato
• La distinta base deve includere un ulteriore componente

Un'altra sfida è che il layout del circuito stampato nella regione del MOV e del GDT è complicato da requisiti normativi che definiscono le distanze minime di isolamento superficiale e in aria, dove:

• La distanza di isolamento in aria è la distanza più breve nell'aria tra due parti conduttrici
• La distanza di isolamento superficiale è la distanza più breve lungo la superficie di un materiale isolante solido tra due parti conduttrici

Il problema è che queste distanze aumentano con la tensione. Di conseguenza, il posizionamento dei componenti MOV e GDT aggiunge un altro mandato e vincolo da considerare nel layout.

Per aiutare i progettisti ad affrontare questi problemi di costo, spazio e normative, Bourns, Inc. ha sviluppato i componenti di protezione ibridi serie IsoMOV. La famiglia è una soluzione alternativa che combina un MOV e un GDT in un unico contenitore, offrendo la funzionalità equivalente di un MOV discreto e un GDT in serie (Figura 7).

Figura 7: Il simbolo schematico di un IsoMOV (a destra) lo mostra come una fusione dei simboli standard individuali GDT (al centro, a sinistra) e MOV (in alto e in basso, a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Uno sguardo da vicino alla costruzione di un IsoMOV mostra che non è solo un semplice prodotto MOV + GDT confezionato in un unico contenitore (Figura 8).

Figura 8: La costruzione fisica di un IsoMOV è una realizzazione completamente diversa della funzione ibrida, non una semplice unione dei due singoli dispositivi esistenti in un unico contenitore. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Dopo l'assemblaggio del nucleo, i cavi sono fissati e l'unità è rivestita in resina epossidica. Il risultato è il tipico contenitore MOV a disco radiale solo leggermente più spesso, ma dal diametro più piccolo rispetto ai dispositivi convenzionali di pari livello (Figura 9). Inoltre, grazie alla concezione in attesa di brevetto della tecnologia metallo-ossido, il componente IsoMOV ha anche una corrente nominale superiore a parità di dimensioni. Sono eliminati sia il vincolo del maggior ingombro sia i problemi legati alla distanza di isolamento superficiale e in aria.

Figura 9: Il contenitore con disco a conduttore radiale dell'IsoMOV assomiglia a un MOV standard, tranne per il fatto che ha un diametro inferiore e una corrente nominale superiore di un equivalente MOV da solo. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Un IsoMOV non è solo "il meglio dei due mondi", ma presenta anche altri vantaggi. I guasti dei MOV sono generalmente caratterizzati da un'onda di tensione di tipo impulsivo sul bordo dell'area metallizzata, tipicamente causata da una temperatura elevata all'interno del MOV durante un picco transitorio. L'esclusiva tecnologia EdgMOV di Bourns è progettata per ridurre o eliminare sostanzialmente questa modalità di guasto.

Uno sguardo a un modello IsoMOV fornisce una visione più dettagliata. ISOM3-275-B-L2 ha una tensione massima di funzionamento continuo (MCOV) di 275 V rms/350 V c.c.; la corrente nominale è di 3 kA/15 operazioni, 6 kA/1 operazione (massimo). Di particolare interesse è anche la sua bassa capacità di 30 pF a 20 kHz che lo rende un componente ideale per linee di dati ad alta velocità, avendo anche una bassa dispersione inferiore a 10 µA.

Il ruolo degli standard

I progettisti devono implementare varie forme di protezione dai picchi transitori (e altre) per molte ragioni che vanno dalle buone pratiche di progettazione all'essere obbligati a farlo per via dei vari standard normativi. Alcuni di questi standard sono universali e si applicano a qualsiasi apparecchiatura che soddisfi uno scenario operativo generale, come il funzionamento della linea in c.a.; altri sono specifici per una certa classe di applicazioni, come i dispositivi medici. Tra gli enti che stabiliscono gli standard si ricordano UL, IEEE e IEC; molti dei loro standard sono "armonizzati" e quindi sono identici o quasi.

Tutti questi standard sono complessi, con numerosi mandati, includono anche eccezioni che richiamano passi o caratteristiche che possono essere eliminate in alcune circostanze, così come requisiti aggiuntivi che devono essere previsti in altre. Ad esempio, sia IEC 60950-1, "Information technology equipment - Safety" che UL/IEC 62368-1 e "Standard for Audio/video, information and communication technology equipment - Part 1: Safety requirements" (che ha sostituito IEC 60950-1 nel 2020), richiedono che la tensione nominale del MOV sia almeno il 125% della tensione nominale dell'apparecchiatura. Di conseguenza, la tensione nominale di un MOV deve essere di almeno 300 V rms per un circuito di rete da 240 V rms.

Consideriamo il caso comune di una spina di linea in c.a., che esiste in versioni a due e tre lamelle. In teoria, la versione a tre conduttori fornisce una messa a terra di sicurezza, ma in pratica questa spesso non è collegata o non è disponibile. La mancanza di una vera connessione terra-terra di sicurezza può portare a una condizione potenzialmente pericolosa quando sono disponibili solo i conduttori di fase e neutro. In tal caso, è necessario aggiungere componenti di protezione al progetto per prevenire possibili scosse elettriche se gli utenti entrano in contatto con parti conduttive che dovrebbero essere messe a terra ma non lo sono. Tuttavia, in questo caso, la piccola quantità di corrente di dispersione MOV può diventare un rischio potenziale di scossa elettrica.

La soluzione più comune per evitare che la corrente di dispersione del MOV diventi così pericolosa è di introdurre almeno un GDT in serie con il MOV (Figura 10). Usando un dispositivo IsoMOV, le funzioni di entrambi i MOV e GDT sono unite in un unico contenitore salvaspazio. Così, l'IsoMOV è anche un componente che risolve i problemi e semplifica l'ottemperanza al requisito di sicurezza UL/IEC 62368-1.

Figura 10: Per eliminare il rischio di scossa elettrica per l'utente a causa della corrente di dispersione inevitabile in un'applicazione senza messa a terra, due dispositivi - un MOV e un GDT - possono essere messi in serie tra le linee in c.a. sotto tensione e neutra. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Figura 11: L'alternativa all'uso di un MOV e un GDT è quella di usare un singolo dispositivo IsoMOV, ottenendo prestazioni identiche se non migliori, in una soluzione totale molto più compatta. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Conclusione

Gli ingegneri sono spesso posti di fronte alla decisione su quale sia la soluzione "migliore". Nella maggior parte dei casi, devono scendere a compromessi senza che esista una sola e semplice risposta. In generale, quando si tratta di implementare la protezione dalle sovratensioni, i crowbar sono migliori per i guasti a lungo termine, mentre i morsetti sono più adatti per gli eventi transitori. Tuttavia, l'utilizzo di entrambi i dispositivi aumenta l'ingombro e complica il layout della scheda.

Ora, però, non c'è più bisogno di scendere a compromessi. Gli IsoMOV di Bourns forniscono una vita operativa molto superiore a un solo MOV, ma senza i problemi legati alla corrente di mantenimento del GDT. I dispositivi forniscono una protezione dai picchi transitori e dalle sovratensioni che soddisfa tutti gli standard pertinenti in un ingombro compatto. Inoltre, la loro bassa corrente di dispersione riduce al minimo i problemi di mantenimento, mentre la loro capacità elettrica molto bassa li rende adatti alla protezione dei circuiti a bassa tensione e ad alta velocità.