¿Cómo agregar protección contra rayos en una PCB?

Como otros han sugerido, es posible que la protección contra rayos no salve sus dispositivos electrónicos, especialmente si el rayo está cerca. No se puede proteger contra todos los casos posibles. Si un rayo cae sobre tu tablero, se convertirá en un agujero humeante en el suelo. Ninguna cantidad de protección contra rayos evitará eso.

Dicho esto, lo mejor que puedes hacer es protegerte contra los rayos cercanos . Dependiendo de su sistema, la caída de un rayo a una milla de distancia de su tablero puede generar sobretensiones de más de 400 voltios en el sistema. Esto es contra lo que necesitas protegerte.

Los diodos ESD pueden proteger contra descargas electrostáticas del contacto humano, pero harán muy poco en el caso de rayos. He visto incluso grandes diodos ESD borrados debido a un rayo cercano. Lo que recomiendo es una combinación de protección, con la primera parte llevando la peor parte del oleaje, y cada sección sucesiva tomando un poco más.

El circuito de protección contra rayos que utilizo en el trabajo utiliza una combinación de tubos de descarga de gas, supresores de sobretensiones TBU y diodos supresores de voltaje transitorio (TVS). El circuito se ve así:

A veces, puede usar inductores en lugar de TBU, pero siempre hay compensaciones. Lo anterior es un buen lugar para comenzar, de todos modos.

Además del excelente comentario de Nick Alexeev que apunta a otras preguntas/respuestas en este sitio, me gustaría compartir lo que trato de hacer con las entradas confidenciales.

En general, desea diseñar la entrada de modo que los transitorios de alta energía tengan un lugar a donde ir, además de su sensible electrónica de procesamiento de señales. Por lo general, esto implica un enfoque de varios niveles y también requiere que piense y presente su aporte con cuidado. La mejor protección del mundo se vuelve inútil por un diseño mal pensado.

Con eso en mente, probablemente desee comenzar su diseño retirando la tierra local silenciosa (lógica o analógica) del área de protección transitoria y vertiendo una tierra local sólida que está conectada al chasis (que luego debe conectarse a un sólido) Tierra). Debe haber una buena separación (3-4 mm en una capa interna, más para una capa externa) entre la tierra del chasis y la tierra interna. Tiendo a conectar tierra/chasis y suministro a tierra en una sola ubicación con una resistencia de 1206 1M en paralelo con un capacitor de 100nF de 2kV de tamaño físico similar. Es posible que algunos diseños deseen ajustar estos valores, pero creo que funcionan lo suficientemente bien para la mayoría de las aplicaciones.

Para protegerse contra los rayos (que a nivel de PCB son prácticamente imposibles de proteger) querrá emplear tubos de descarga de gas. Estos son dispositivos relativamente lentos, pero una vez activados, pueden desviar mucha energía. Los GDT también son generalmente físicamente grandes, porque la electricidad tiene la desagradable costumbre de saltar a través de los huecos si el voltaje potencial es lo suficientemente alto.

Hablando de arcos y saltos a través de espacios: a muchas personas les gusta usar chispas en sus PCB. No me gustan porque son un punto de contaminación (no se puede usar máscara de soldadura en ellos porque eso anula su propósito) y si no los enmascara contra HASL o soldadura por ola, entonces la soldadura que se deposita realmente puede alterar las propiedades físicas de la brecha, haciéndola ineficaz. Además, después de que reciben algunos golpes, el cobre tiende a ablacionarse y el espacio de chispa se vuelve cada vez menos efectivo a medida que la distancia entre los puntos crece y/o se apaga.

Después de que el tubo de descarga de gas reduce el voltaje de entrada a varios cientos de voltios, puede emplear dispositivos de limitación de energía, como un fusible en línea o una resistencia simple, seguido de un TVS. El fusible o la resistencia limita la energía para que el TVS no explote o se cortocircuite (para transitorios más largos) y el TVS actúa como una palanca, desviando el transitorio que está por encima de su voltaje de activación a tierra.

Tenga cuidado con el tamaño del componente físico aquí nuevamente; el GDT puede reducirlo a unos pocos cientos de voltios, pero ese voltaje aún puede saltar a través de una resistencia fusible o limitadora de corriente 0402. Apéguese a tamaños más grandes o dispositivos PTH, y considere la posibilidad de cortar una ranura en la placa debajo del componente (aunque esto va un poco lejos, especialmente si ya tiene un GDT).

Al igual que el GDT, el trabajo de un TVS es "recortar" el voltaje de entrada a un nivel seguro (r). El GDT te llevó de varios miles a varios cientos de voltios. El TVS luego lo reduce a una docena de voltios (según la clasificación). Probablemente podría detenerse aquí y darlo por terminado, pero podría ir un poco más allá y ayudar a hacer una entrada realmente sólida.

La mayoría de los transitorios son cortos por definición; esto significa que tienen mucha energía durante un (muy) corto período de tiempo. Incluso si reduce el transitorio a una docena de voltios más o menos y es "seguro" que su entrada lo vea, sobrecargar la entrada de un sistema puede tener otros efectos que no son fatales, pero que introducen un error. Agregar un pequeño capacitor (0.01uF más o menos) en paralelo con el TVS puede ayudar a que la entrada ignore por completo cualquier transitorio que quede y proporcione una señal más limpia a su sistema. Dependiendo de lo que esté haciendo con la entrada y el tipo de señal que espera, esto podría tener efectos perjudiciales, pero su pregunta realmente no entra en detalles, pero para la mayoría de las aplicaciones estoy dispuesto a apostar que nunca vea el efecto de 10nF de capacitancia en su entrada.

Tuve un diseño particular para un dispositivo automotriz donde fui más allá de esto:

En este circuito, que fue tomado de esta publicación de eevblog , tengo un suministro limitado de corriente separado que alimenta un búfer de activación Schmitt intermediario y sirve como fuente/sumidero para corrientes de derivación. El circuito es "hacia atrás": la entrada activa baja está en el lado derecho de R94 y la salida activa baja a mi MCU protegida está a la izquierda. R94 y R117 limitan la corriente, D21/D22 derivan el voltaje a los rieles del suministro suave 3V_PROT y R116 y U27 limpian la señal.